Konstrukcijski dizajn i analiza 8-spratnice multifunkcionalne montažne zgrade za filipinskog klijenta

Projektovanje i analiza 8-spratnice multifunkcionalne zgrade za filipinskog klijenta

 

 

Ovaj projekat je 8-spratna multifunkcionalna zgrada koja se nalazi u Manili, Filipini, ukupne dimenzije 20m × 20m. Visina svakog sprata je projektovana na sledeći način: 1. sprat (parking) plus mezanin ukupno 6m; 2. sprat (magacin) je visok 6m; 3. i 4. sprat (kancelarijski prostori) su 4,5m i 3,4m respektivno; 5. do 7. spratovi (stambeni prostori) su visoki po 3,4 m; 8. sprat (krovna javna površina) plus visina krova je 2,8m. Za optimizaciju prostora, raspoređena su samo 3 reda strukturnih stubova: Osa A ima ukupno 4 kolone, razmak između ose A i ose B je 13,2 m, a razmak između ose B i ose C je 6,8 m. Razmak između 4 stupca na osi A je 5,9 m (1-2 osa), 8,2 m (2-3 ose) i 5,9 m (3-4 ose).

 

 

 

Nacionalni kodeks konstrukcija Filipina (NSCP) 2015: Uređuje cjelokupni konstrukcijski dizajn, proračun opterećenja, performanse materijala i sigurnosne zahtjeve.

Philippine Building Code (PBC) 2004: Reguliše upotrebu zgrada, sigurnost od požara i trajnost konstrukcija koje odgovaraju multifunkcionalnim zgradama (parking, skladište, ured, stambeni, javni prostor).

Kriteriji seizmičkog dizajna: Manila se nalazi u umjerenoj seizmičkoj zoni sa vršnim ubrzanjem tla (PGA) od 0,15 g; konstruktivni projekat usvaja seizmički intenzitet 7 (0,15g) za anti-seizmičku provjeru.

Kriterijumi opterećenja vjetrom: Osnovna brzina vjetra u Manili je 45 m/s (kategorija 3); Proračun opterećenja vjetrom slijedi Poglavlje 28 NSCP 2015, uzimajući u obzir distribuciju pritiska vjetra i strukturni koeficijent otpora vjetra.

 

 

Mrtvo opterećenje (DL): prema NSCP 2015, u kombinaciji sa funkcijom zgrade: krov (2,5 kN/m²), stambeni sprat (2,0 kN/m²), poslovni sprat (2,5 kN/m²), sprat skladišta (5,0 kN/m²), parking (4,0 kN/m²), kN/m² (3,0); vlastita-težina elemenata čelične konstrukcije se izračunava na osnovu stvarne veličine presjeka.

Živo opterećenje (LL): Stambena površina (2,5 kN/m²), uredska površina (3,0 kN/m²), skladište (10,0 kN/m²), parking (2,5 kN/m² po vozilu, plus 1,0 kN/m² za pješaka), krovni javni prostor (2,0 kN/m²).

Seizmičko opterećenje (EL): Izračunato korištenjem metode spektra odziva, uzimajući u obzir strukturnu raspodjelu mase, karakteristike krutosti i omjer prigušenja (0,05 za čelične konstrukcije).

Opterećenje vjetrom (WL): Izračunava se kao pritisak vjetra (w=0.613 × V², V=45 m/s) i distribuira se na svaki sprat prema visini i obliku konstrukcije; Vibracije izazvane vjetrom-provjerene su za visoke-dijelove (5-8 spratova).

Ostala opterećenja: Opterećenje snijegom se ne uzima u obzir (Manila je tropska regija); Sekundarna opterećenja izazvana zemljotresom- (kao što je P-Δ efekat) i temperaturni stres uključeni su u provjeru dizajna.

 

 

Uzimajući u obzir funkciju zgrade, zahtjeve za prostorom i zahtjeve lokalnog kodeksa, usvojena je konstrukcija čeličnog okvira, koja ima prednosti male težine, velike čvrstoće, dobre duktilnosti i brze konstrukcije. Specifični strukturni raspored je sljedeći:

Stubovi: Korištene su čelične H{0}} grede; presjeci stubova se određuju prema nosivosti-nosivosti svakog sprata. 1.-2. spratovi (parking + skladište) imaju H600×250×8×12 mm zbog velikog opterećenja; 3.-4. sprat (kancelarija) usvojiti H500×200×7×10 mm; 5.-8. spratovi (stambeni + krov) usvajaju H400×200×6×8 mm.

Grede: čelične H{0}} grede se koriste za podne i krovne grede. Grede između ose A i ose B (raspon 13,2 m) prihvataju H500×200×7×10 mm (1.-2. sprat) i H450×180×6×9 mm (3.-8. sprat); grede između ose B i ose C (raspon 6,8m) prihvataju H400×180×6×8 mm (svi podovi); međuspratne grede prihvataju H300×150×6×8 mm.

Podna ploča: Usvojena je kompozitna podna ploča (čelična paluba + beton), debljine betona 120mm (stambeni/kancelarijski), 150mm (magacin/parking) i 100mm (mezanin/krov); model čelične palube je B-120, debljine 1,2 mm.

Sistem bočnog otpora: Sam čelični okvir pruža bočnu krutost; pored toga, dijagonalni podupirači su raspoređeni na uglovima zgrade (os A-1, A-4, C-1, C-4) kako bi se povećala bočna otpornost na vjetar i seizmička opterećenja.

 

 

Potrošnja čelika uključuje sve glavne konstrukcijske elemente: stupove, grede, podne čelične palube, dijagonalne podupirače i spojne komponente (zavrtnje, materijali za zavarivanje, itd.). Dodatak od 10% se dodaje za priključne komponente (vijci, zavarivanje, itd.) na osnovu težine glavnih elemenata, što je u skladu sa konvencionalnim standardom proračuna projekata čeličnih konstrukcija.

 

 

Strukturna komponenta	Specifikacija	Količina	Težina jedinice (kg/m)	Ukupna dužina (m)	Ukupna težina (kg)
Stubovi (1.-2. sprat)	H600×250×8×12	12 (3 reda × 4 kolone)	118.5	144 (12 stubova × 12m ukupne visine za 1.-2. sprat)	17064
Stubovi (3.-4. sprat)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 stubova × 7,5m ukupne visine za 3.-4. sprat)	7587
Stubovi (5-8 sprat)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 stubova × 11,2m ukupne visine za 5.-8. sprat)	8346.24
Grede (A-B osa, 1.-2. sprat)	H500×200×7×10	24 (4 raspona × 6 spratova, 1.-2. sprat)	84.3	316,8 (24 snopa × raspon 13,2 m)	26706.24
Grede (A-B osa, 3.-8. spratovi)	H450×180×6×9	48 (4 raspona × 12 spratova, 3.-8. sprat)	70.2	633,6 (48 greda × raspon 13,2 m)	44478.72
Grede (B-C osa, svi spratovi)	H400×180×6×8	72 (4 raspona × 18 spratova, svih 8 spratova)	58.5	489,6 (72 snopa × raspon 6,8 m)	28641.6
Mezzanine Beams	H300×150×6×8	12 (4 raspona × 3 reda)	40.2	120 (12 greda × 10m prosječnog raspona)	4824
Diagonal Braces	H200×150×6×8	32 (4 ugla × 8 spratova)	30.1	179,2 (32 nosača × 5,6 m prosječne dužine)	5393.92
Podna čelična paluba	B-120 (1,2 mm)	1 set (svi spratovi)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 sprata, bez krova)	34560
Roof Steel Deck	B-120 (1,2 mm)	1 set	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Glavni članovi Ukupno	-	-	-	-	182407.72
Dodatak za priključak (10%)	-	-	-	-	18240.77
Ukupna potrošnja čelika	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tona)

 

Ukupna potrošnja čelika: Približno 200,65 metričkih tona (uključujući 10% naknade za priključak).

Jedinična potrošnja čelika: 200,65 tona / (20m×20m×8 spratova)=62.7 kg/m² (izračunato na osnovu ukupne površine poda od 3200 m²).

Jedinična potrošnja čelika je u razumnom rasponu (60-80 kg/m²) za multifunkcionalne zgrade sa čeličnim okvirom, što je u skladu sa standardima projektovanja sličnih projekata u Manili.

 

 

Sljedeća analiza procjenjuje primjenjivost trenutnog konstrukcijskog dizajna (zasnovanog na lokalnim pravilima Manile) na glavnim tržištima CBC-a kao što su Tonga, Nova Kaledonija, Papua Nova Gvineja, Čile i Peru, fokusirajući se na razlike u lokalnim seizmičkim zahtjevima, opterećenju vjetrom i zahtjevima građevinskih propisa.

 

 

Seizmički uslovi: Tonga se nalazi u visokoj seizmičkoj zoni (Pacifički vatreni prsten) sa PGA od 0,30-0,40g, što je mnogo više od Manile od 0,15g.

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 55-60 m/s (ciklonska regija), znatno veća od 45 m/s u Manili.

Zahtjevi koda: U skladu je sa Tonga Building Code (TBC) 2018, koji ima strože zahtjeve za bočnu otpornost i strukturnu duktilnost.

Procjena primjenjivosti: Ne preporučuje se. Trenutna strukturna krutost i seizmička otpornost nisu dovoljni da izdrže visoka seizmička opterećenja Tonge i vjetra; treba značajno ojačati -presjek grede i sistem bočnih učvršćenja, a potrošnja čelika će se povećati za 30-40%.

 

 

Seizmički uvjeti: Umjerena seizmička zona sa PGA od 0,20g, nešto više od 0,15g u Manili.

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 50 m/s (područje sklono tropskim ciklonima{1}), veća od 45 m/s u Manili.

Zahtjevi kodeksa: Prati pravila o gradnji francuskih prekomorskih teritorija (RTC) 2020, koja je slična evropskim standardima i ima stroge zahtjeve za izdržljivost konstrukcije i otpornost na vjetar.

Procjena primjenjivosti: zahtijeva modifikaciju. Trenutni dizajn se može prilagoditi nakon djelimičnog prilagođavanja: ojačati sistem bočnih učvršćenja, povećati debljinu prirubnica grede stuba- za 2-3 mm i prilagoditi parametre seizmičkog proračuna; potrošnja čelika će se povećati za 15-20%.

 

Seizmički uslovi: Visoka seizmička zona sa PGA od 0,25-0,35g, više od 0,15g u Manili; seizmička aktivnost je česta i intenzivna.

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 48-52 m/s, nešto veća od 45 m/s u Manili.

Zahtjevi kodeksa: Usvaja Nacionalni građevinski kod Papue Nove Gvineje (PNG NBC) 2015, koji naglašava seizmičku otpornost i strukturnu duktilnost za visoke{1}} zgrade.

Procjena primjenjivosti: zahtijeva modifikaciju. Glavna prilagođavanja uključuju: povećanje veličine presjeka stuba-(posebno 1.-2. spratova), dodavanje više bočnih podupirača i optimizaciju sistema za disipaciju seizmičke energije; potrošnja čelika će se povećati za 25-30%.

 

 

Seizmički uslovi: Jedna od najviših seizmičkih zona na svijetu sa PGA od 0,40-0,50g, što je daleko više od 0,15g u Manili; zemljotresi velikih magnitude se dešavaju često.

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 40-45 m/s, slično kao u Manili 45 m/s.

Zahtjevi koda: Prati čileanski građevinski kodeks (NCh 433 Of. 2017), koji ima najstrože standarde seizmičkog dizajna na svijetu, zahtijevajući visoku strukturnu duktilnost i kapacitet disipacije energije.

Procjena primjenjivosti: Ne preporučuje se. Trenutni strukturni sistem ne može zadovoljiti ultra-seizmičke zahtjeve Čilea; novi seizmički-otporni sistem (kao što je čelični okvir-kontejner-sistem disipatora energije) treba redizajnirati, a potrošnja čelika će se povećati za 50% ili više.

 

 

Seizmički uslovi: Visoka seizmička zona sa PGA od 0,25-0,30g, više od 0,15g u Manili; seizmički intenzitet varira u zavisnosti od regiona (obalna područja su oštrija).

Opterećenje vjetrom: Osnovna brzina vjetra je 42-48 m/s, nešto niža ili slična 45 m/s u Manili.

Zahtjevi kodeksa: Usvaja Peruanski građevinski kodeks (E070) 2017, koji ima stroge zahtjeve za seizmičko projektovanje i strukturnu stabilnost visokih-građevina.

Procjena primjenjivosti: zahtijeva modifikaciju. Glavna prilagođavanja uključuju: jačanje veza stubova-greda, povećanje bočne krutosti konstrukcije i optimizaciju proračuna seizmičkog opterećenja; potrošnja čelika će se povećati za 20-25%.

 

 

Region	Seizmički PGA (g)	Osnovna brzina vjetra (m/s)	Presuda o primenljivosti	Ključne modifikacije su potrebne
Manila (Filipini)	0.15	45	Potpuno primjenjivo	Nema
Tonga	0.30-0.40	55-60	Ne preporučuje se	Sveobuhvatan redizajn konstruktivnog sistema, značajno povećanje veličine presjeka i bočnih učvršćenja
Nova Kaledonija	0.20	50	Zahteva modifikaciju	Ojačati bočno učvršćivanje, povećati debljinu prirubnice, prilagoditi seizmičke parametre
Papua Nova Gvineja	0.25-0.35	48-52	Zahteva modifikaciju	Povećajte veličinu presjeka stuba{0}}, dodajte bočne podupirače, optimizirajte sistem disipacije energije
Čile	0.40-0.50	40-45	Ne preporučuje se	Redizajnirajte sistem otporan na seizmiku{0}}, dodajte disipatore energije, značajno povećajte strukturnu krutost
Peru	0.25-0.30	42-48	Zahteva modifikaciju	Ojačajte veze stubova{0}}greda, povećajte bočnu krutost, optimizirajte seizmički proračun

 

Uz pretpostavku ispunjavanja lokalnih propisa Manile i osiguravanja strukturalne sigurnosti, mogu se poduzeti sljedeće mjere optimizacije kako bi se smanjila potrošnja čelika, poboljšala efikasnost konstrukcije i smanjili troškovi projekta, bez utjecaja na funkciju zgrade i zahtjeve prostora.

 

 

Stubovi: Za 5-8 spratove (stambeni prostor, malo opterećenje), presjek stuba se može optimizirati od H400×200×6×8 mm do H350×180×6×8 mm. Provjera omjera naprezanja pokazuje da optimizirani presjek i dalje može zadovoljiti zahtjeve nosivosti, smanjujući potrošnju čelika za oko 8% za ove stupove.

Grede: Za grede između ose B i ose C (raspon 6,8 m, malo opterećenje), presjek se može optimizirati od H400×180×6×8 mm do H350×180×6×8 mm, smanjujući potrošnju čelika za oko 6% za ove grede.

 

 

Postojeći dijagonalni nosači su raspoređeni na svih 8 spratova; mogu se optimizirati da se rasporede u intervalima (svaka 2 kata) za 5.-8. sprat (stambeni prostor, malo bočno opterećenje). Ovo podešavanje može smanjiti broj podupirača za 50% za gornje etaže, dok osigurava da bočna krutost ispunjava zahtjeve, smanjujući potrošnju čelika za oko 5% za sistem učvršćenja.

 

 

Trenutni dizajn usvaja Q235B i Q355B čelik; može se zamijeniti svim Q355B ili čelikom visoke-čvrstoće za glavne stubove i grede (1.-4. sprat, veliko opterećenje). tako da se veličina sekcije može na odgovarajući način smanjiti uz zadržavanje iste nosivosti. Ova optimizacija može smanjiti potrošnju čelika za oko 10-12% za glavne članove.

 

 

Za 5.{6}}7. spratove (stambeni prostor), debljina betonske ploče kompozitne podne ploče može se smanjiti sa 120 mm na 100 mm, a debljina čelične ploče može se održati na 1,2 mm. Ovo podešavanje može smanjiti mrtvo opterećenje poda, čime se smanjuju zahtjevi nosivosti stubova i greda, a indirektno se smanjuje potrošnja čelika za oko 3-4%.

 

 

Nakon sveobuhvatne optimizacije, ukupna potrošnja čelika može se smanjiti za 15-20%, sa prvobitnih 200,65 tona na 160,52-170,55 tona. Jedinična potrošnja čelika će biti smanjena na 50,16-53,30 kg/m², što je i dalje u razumnom rasponu i može efikasno smanjiti troškove projekta, istovremeno osiguravajući strukturnu sigurnost i ispunjavajući zahtjeve lokalnog kodeksa.

 

Strukturni dizajn 8- višenamjenske zgrade ispunjava zahtjeve lokalnih propisa Manile (NSCP 2015, PBC 2004) i zahtjeve opterećenja, s ukupnom potrošnjom čelika od približno 200,65 tona i jediničnom potrošnjom čelika od 62,7 kg/m². Za ostale regije: u potpunosti je primjenjiv u Manili; zahtijeva modifikacije u Novoj Kaledoniji, Papui Novoj Gvineji i Peruu (sa odgovarajućim povećanjem potrošnje čelika); i ne preporučuje se u Tongi i Čileu (zbog ultra-visokih zahtjeva za seizmičkim opterećenjem/vjetrom). Kroz optimizaciju sekcija, zamjenu materijala i podešavanje sistema, potrošnja čelika može se smanjiti za 15-20% bez utjecaja na sigurnost konstrukcije, što ima značajne ekonomske koristi.