Структурне проектування та аналіз 8-поверхового багатофункціонального збірного будинку для філіппінського клієнта

Структурне проектування та аналіз 8-поверхової багатофункціональної будівлі для філіппінського клієнта

 

 

Цей проект являє собою 8-поверхову багатофункціональну будівлю, розташовану в Манілі, Філіппіни, загальним розміром 20 м × 20 м. Висота кожного поверху проектується наступним чином: 1-й поверх (паркінг) плюс антресолі загальні 6м; 2 поверх (склад) висота 6м; 3 та 4 поверхи (офісні приміщення) – 4,5м та 3,4м відповідно; 5-7 поверхи (житлові приміщення) висотою по 3,4 м; 8 поверх (дах громадського простору) плюс висота даху 2,8м. Для оптимізації простору розміщено лише 3 ряди структурних колон: вісь A має загалом 4 колони, відстань між віссю A та віссю B становить 13,2 м, а відстань між віссю B та віссю C становить 6,8 м. Відстань між 4 стовпцями на осі А становить 5,9 м (осі 1-2), 8,2 м (осі 2-3) і 5,9 м (осі 3-4) відповідно.

 

 

 

Національний структурний кодекс Філіппін (NSCP) 2015: регулює загальний проект конструкції, розрахунок навантаження, характеристики матеріалів і вимоги безпеки.

Філіппінський будівельний кодекс (PBC) 2004: регулює використання будівель, пожежну безпеку та довговічність конструкцій, що відповідають багатофункціональним будівлям (парковка, склад, офіс, житловий, громадський простір).

Критерії сейсмічного проектування: Маніла розташована в помірній сейсмічній зоні з піковим прискоренням землі (PGA) 0,15 g; структурна конструкція приймає сейсмічну інтенсивність 7 (0,15 г) для анти-сейсмічної перевірки.

Критерії вітрового навантаження: базова швидкість вітру в Манілі становить 45 м/с (категорія 3); розрахунок вітрового навантаження відповідає розділу 28 NSCP 2015, враховуючи розподіл вітрового тиску та структурний коефіцієнт опору вітру.

 

 

Власне навантаження (DL): Відповідно до NSCP 2015, у поєднанні з функцією будівлі: дах (2,5 кН/м²), житловий поверх (2,0 кН/м²), офісний поверх (2,5 кН/м²), складський поверх (5,0 кН/м²), паркінг (4,0 кН/м²), мезонін (3,0 кН/м²); власна-вага елементів сталевої конструкції розраховується на основі фактичного розміру секції.

Живе навантаження (LL): житлова зона (2,5 кН/м²), офісна зона (3,0 кН/м²), склад (10,0 кН/м²), автостоянка (2,5 кН/м² на транспортний засіб, плюс 1,0 кН/м² для пішохода), дах громадського простору (2,0 кН/м²).

Сейсмічна навантаження (EL): розраховується за допомогою методу спектру відгуку, враховуючи структурний розподіл маси, характеристики жорсткості та коефіцієнт демпфування (0,05 для сталевих конструкцій).

Вітрове навантаження (WL): обчислюється як тиск вітру (w=0.613 × V², V=45 м/с) і розподіляється на кожен поверх відповідно до висоти та форми конструкції; вібрація, викликана-вітром, перевіряється для-висотних частин (5-8 поверхів).

Інші навантаження: Снігове навантаження не враховується (Маніла є тропічним регіоном); землетруси-індуковані вторинні навантаження (такі як P-Δ ефект) і температурні навантаження включені в перевірку проекту.

 

 

Враховуючи функцію будівлі, вимоги до простору та вимоги місцевого кодексу, прийнято сталеву каркасну конструкцію, яка має такі переваги, як легка вага, висока міцність, хороша пластичність і швидка конструкція. Конкретне структурне розташування виглядає наступним чином:

Колони: використовуються сталеві двотаврові-балки; секції колон визначаються відповідно до-несучої здатності кожного поверху. 1-2 поверхи (паркінг + склад) через велике навантаження використовують H600×250×8×12 мм; 3-4 поверхи (офіс) - H500×200×7×10 мм; 5-8 поверхи (житловий + дах) - H400×200×6×8 мм.

Балки: сталеві двотаврові балки використовуються для балок підлоги та балок даху. Балки між віссю A та віссю B (проліт 13,2 м) мають H500×200×7×10 мм (1-й-2-й поверхи) та H450×180×6×9 мм (3-й-8-й поверхи); балки між віссю B і віссю C (проліт 6,8 м) приймають H400×180×6×8 мм (усі поверхи); мезонінні балки приймають H300×150×6×8 мм.

Плита перекриття: використовується композитна плита перекриття (сталевий настил + бетон) з товщиною бетону 120 мм (житловий/офіс), 150 мм (склад/парковка) і 100 мм (антресолі/дах); модель сталевої деки B-120, товщиною 1,2 мм.

Система бокового опору: сама сталева рама забезпечує бічну жорсткість; крім того, по кутах будівлі (осі A-1, A-4, C-1, C-4) встановлюються діагональні розкоси для підвищення бічної стійкості проти вітрових і сейсмічних навантажень.

 

 

Витрата сталі включає всі основні елементи конструкції: колони, балки, сталеві настили перекриттів, діагональні розкоси та з’єднувальні елементи (болти, зварювальні матеріали тощо). Для з’єднувальних компонентів (болти, зварювання тощо) додається 10% від ваги основних елементів, що відповідає загальноприйнятому стандарту розрахунку проектів сталевих конструкцій.

 

 

Структурний компонент	Специфікація	Кількість	Вага блоку (кг/м)	Загальна довжина (м)	Загальна вага (кг)
Колони (1-2 поверхи)	H600×250×8×12	12 (3 рядки × 4 стовпці)	118.5	144 (12 колон × 12м загальна висота для 1-2 поверхів)	17064
Колони (3-4 поверхи)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 колон × 7,5 м загальна висота для 3-4 поверхів)	7587
Колони (5-8 поверхи)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 колон × 11,2 м загальна висота для 5-8 поверхів)	8346.24
Балки (вісь A-B, 1-2 поверхи)	H500×200×7×10	24 (4 прольоти × 6 поверхів, 1-2 поверхи)	84.3	316,8 (24 балки × 13,2 м прольоту)	26706.24
Балки (вісь A-B, 3-8 поверхи)	H450×180×6×9	48 (4 прольоти × 12 поверхів, 3-8 поверхи)	70.2	633,6 (48 балок × 13,2 м прольоту)	44478.72
Балки (вісь B-C, усі поверхи)	H400×180×6×8	72 (4 прольоти × 18 поверхів, усі 8 поверхів)	58.5	489,6 (72 балки × 6,8 м прольоту)	28641.6
Мезонінні балки	H300×150×6×8	12 (4 прольоти × 3 ряди)	40.2	120 (12 балок × 10 м середній проліт)	4824
Діагональні дужки	H200×150×6×8	32 (4 кути × 8 поверхів)	30.1	179,2 (32 скоби × 5,6 м середня довжина)	5393.92
Сталева настила для підлоги	Б-120 (1,2 мм)	1 комплект (всі поверхи)	12 кг/м²	2880 м² (20м×20м×7,2 поверхів, без даху)	34560
Сталевий настил даху	Б-120 (1,2 мм)	1 комплект	12 кг/м²	400 m² (20m×20m)	4800
Основні члени Разом	-	-	-	-	182407.72
Надбавка на підключення (10%)	-	-	-	-	18240.77
Загальне споживання сталі	-	-	-	-	200648,49 кг (≈200,65 тонн)

 

Загальне споживання сталі: приблизно 200,65 метричних тонн (включаючи 10% надбавки на з’єднання).

Одинична витрата сталі: 200,65 тонн / (20 м × 20 м × 8 поверхів)=62.7 кг/м² (розраховується на основі загальної площі підлоги 3200 м²).

Споживання сталі на одиницю знаходиться в розумному діапазоні (60-80 кг/м²) для сталевих каркасних багатофункціональних будівель, що відповідає стандартам проектування подібних проектів у Манілі.

 

 

Наступний аналіз оцінює застосовність поточного структурного проекту (на основі місцевих норм Манілі) на основних ринках CBC, таких як Тонга, Нова Каледонія, Папуа-Нова Гвінея, Чилі та Перу, зосереджуючись на відмінностях у місцевих сейсмічних, вітрових навантаженнях і вимогах до будівельних норм.

 

 

Сейсмічні умови: Тонга розташована в зоні високої сейсмічної активності (Тихоокеанське вогняне кільце) з PGA 0,30-0,40g, що набагато вище, ніж у Манілі (0,15g).

Вітрове навантаження: базова швидкість вітру становить 55-60 м/с (циклонічна область), що значно вище, ніж 45 м/с у Манілі.

Вимоги кодексу: Відповідає будівельному кодексу Тонга (TBC) 2018, який містить суворіші вимоги до бокового опору та структурної пластичності.

Рішення щодо застосовності: не рекомендується. Сучасна структурна жорсткість і сейсмостійкість недостатні, щоб витримати високі сейсмічні та вітрові навантаження Тонги; потрібно суттєво посилити-балочні секції колони та бічні зв’язки, а витрата сталі збільшиться на 30-40%.

 

 

Сейсмічні умови: помірна сейсмічна зона з PGA 0,20g, що трохи вище, ніж у Манілі 0,15g.

Вітрове навантаження: основна швидкість вітру становить 50 м/с (територія, схильна до тропічних циклонів), що вище, ніж 45 м/с у Манілі.

Вимоги кодексу: відповідає будівельним нормам Франції заморських територій (RTC) 2020, які схожі на європейські стандарти та містять суворі вимоги до довговічності конструкції та стійкості до вітру.

Рішення щодо застосовності: потребує модифікації. Поточна конструкція може бути адаптована після часткових коригувань: посилення бічної системи зв’язків, збільшення товщини полок колон-балки на 2-3 мм та коригування параметрів сейсмічного розрахунку; споживання сталі збільшиться на 15-20%.

 

Сейсмічні умови: зона високої сейсмічної активності з PGA 0,25-0,35g, що вище, ніж у Манілі 0,15g; сейсмічна активність є частою та інтенсивною.

Вітрове навантаження: базова швидкість вітру становить 48-52 м/с, трохи вище, ніж 45 м/с у Манілі.

Вимоги кодексу: приймає Національний будівельний кодекс Папуа-Нової Гвінеї (PNG NBC) 2015, який наголошує на сейсмостійкості та структурній пластичності для висотних-будинків.

Рішення щодо застосовності: потребує модифікації. Основні коригування включають: збільшення-розміру балки колони (особливо на 1-2 поверхах), додавання більшої кількості бокових розкосів та оптимізацію системи розсіювання сейсмічної енергії; споживання сталі збільшиться на 25-30%.

 

 

Сейсмічні умови: одна з найвищих сейсмічних зон у світі з PGA 0,40-0,50g, що значно перевищує 0,15g у Манілі; землетруси великої магнітуди відбуваються часто.

Вітрове навантаження: основна швидкість вітру становить 40-45 м/с, подібно до 45 м/с у Манілі.

Вимоги кодексу: відповідає Чилійському будівельному кодексу (NCh 433 Of. 2017), який містить найсуворіші у світі стандарти сейсмічного проектування, що вимагає високої структурної пластичності та здатності до розсіювання енергії.

Рішення щодо застосовності: не рекомендується. Поточна структурна система не може задовольнити над-високі сейсмічні вимоги Чилі; нову сейсмостійку-систему (наприклад, сталеву раму-стяжку-систему розсіювання енергії) необхідно переробити, і споживання сталі збільшиться на 50% або більше.

 

 

Сейсмічні умови: зона високої сейсмічної активності з PGA 0,25-0,30g, що вище, ніж у Манілі 0,15g; сейсмічна інтенсивність залежить від регіону (прибережні райони є більш суворими).

Вітрове навантаження: базова швидкість вітру становить 42-48 м/с, трохи нижче або подібна до 45 м/с у Манілі.

Вимоги кодексу: приймає Перуанський будівельний кодекс (E070) 2017, який містить суворі вимоги до сейсмічного проектування та структурної стійкості висотних-будинків.

Рішення щодо застосовності: потребує модифікації. Основні коригування включають: посилення з’єднань балок-колон, збільшення бічної жорсткості конструкції та оптимізацію розрахунку сейсмічного навантаження; споживання сталі збільшиться на 20-25%.

 

 

Регіон	Сейсмічний PGA (g)	Базова швидкість вітру (м/с)	Рішення щодо застосовності	Потрібні ключові зміни
Маніла (Філіппіни)	0.15	45	Повністю застосовний	Жодного
Тонга	0.30-0.40	55-60	Не рекомендується	Комплексне перепроектування конструктивної системи, значне збільшення розмірів секції та бічних розкосів
Нова Каледонія	0.20	50	Вимагає модифікації	Посилити бічні зв’язки, збільшити товщину фланців, налаштувати сейсмічні параметри
Папуа Нова Гвінея	0.25-0.35	48-52	Вимагає модифікації	Збільште розмір-розміру балки колони, додайте бічні розкоси, оптимізуйте систему розсіювання енергії
Чилі	0.40-0.50	40-45	Не рекомендується	Реконструюйте сейсмо{0}}стійку систему, додайте розсіювачі енергії, значно підвищте структурну жорсткість
Перу	0.25-0.30	42-48	Вимагає модифікації	Посилення з’єднань балок-колон, збільшення поперечної жорсткості, оптимізація сейсмічних розрахунків

 

Виходячи з дотримання місцевих норм Манілі та забезпечення безпеки конструкції, можна вжити наступних заходів з оптимізації, щоб зменшити споживання сталі, підвищити ефективність конструкції та зменшити витрати на проект, не впливаючи на функції та вимоги до простору будівлі.

 

 

Колони: для 5-8 поверхів (житлова зона, невелике навантаження) переріз колони можна оптимізувати від H400×200×6×8 мм до H350×180×6×8 мм. Перевірка коефіцієнта напруження показує, що оптимізована секція все ще може відповідати вимогам щодо несучої навантаження, зменшуючи споживання сталі приблизно на 8% для цих колон.

Балки: для балок між віссю B і віссю C (проліт 6,8 м, невелике навантаження) перетин можна оптимізувати від H400×180×6×8 мм до H350×180×6×8 мм, зменшуючи споживання сталі приблизно на 6% для цих балок.

 

 

Діючі діагональні розтяжки влаштовані на всіх 8 поверхах; їх можна оптимізувати для розміщення з інтервалом (через кожні 2 поверхи) для 5-8 поверхів (житлова зона, мале бічне навантаження). Це регулювання може зменшити кількість розкосів на 50% для верхніх поверхів, водночас гарантуючи, що бічна жорсткість відповідає вимогам, зменшуючи споживання сталі приблизно на 5% для системи розкосів.

 

 

У поточній конструкції використовується сталь Q235B і Q355B; її можна замінити всіма сталями Q355B або високо-міцною сталлю для головних колон і балок (1-4 поверхи, велике навантаження). тому розмір секції можна відповідно зменшити, зберігаючи ту саму несучу здатність. Ця оптимізація може зменшити споживання сталі приблизно на 10-12% для основних елементів.

 

 

Для 5-7-го поверхів (житловий район) товщину композитної бетонної плити перекриття можна зменшити зі 120 мм до 100 мм, а товщину сталевої настилу можна підтримувати на рівні 1,2 мм. Це регулювання може зменшити власне навантаження на підлогу, тим самим зменшивши вимоги до несучої навантаження колон і балок і побічно зменшивши споживання сталі приблизно на 3-4%.

 

 

Після комплексної оптимізації загальне споживання сталі може бути зменшено на 15-20% з початкових 200,65 тонн до 160,52-170,55 тонн. Споживання сталі на одиницю буде зменшено до 50,16-53,30 кг/м², що все ще знаходиться в розумному діапазоні та може ефективно знизити витрати на проект, одночасно забезпечуючи структурну безпеку та дотримуючись вимог місцевих норм.

 

Конструктивний проект 8-поверхової багатофункціональної будівлі відповідає вимогам місцевих кодексів Маніли (NSCP 2015, PBC 2004) і вимогам до навантаження із загальним споживанням сталі приблизно 200,65 тонни та одиничним споживанням сталі 62,7 кг/м². Для інших регіонів: повністю застосовується в Манілі; потребує модифікації в Новій Каледонії, Папуа-Новій Гвінеї та Перу (з відповідним збільшенням споживання сталі); і не рекомендується в Тонга та Чилі (через надвисокі вимоги до сейсмічного/вітрового навантаження). Завдяки оптимізації секцій, заміні матеріалів і налагодженню системи споживання сталі можна зменшити на 15-20%, не впливаючи на безпеку конструкції, що має значні економічні переваги.