Strukturell design och analys av 8-vånings multifunktionell prefabbyggnad för filippinsk kund

Strukturell design och analys av 8-vånings multifunktionsbyggnad för filippinsk klient

 

 

Detta projekt är en 8-vånings multifunktionell byggnad belägen i Manila, Filippinerna, med en total dimension på 20m × 20m. Höjden på varje våning är utformad enligt följande: 1: a våningen (parkeringsplats) plus mezzanin totalt i 6m; 2:a våningen (lagret) är 6m hög; 3:e och 4:e våningen (kontorsytor) är 4,5 m respektive 3,4 m; 5:e till 7:e våningarna (bostadsområden) är vardera 3,4 m höga; 8:e våningen (allmänt tak) plus takhöjd är 2,8m. För utrymmesoptimering är endast 3 rader av strukturella kolumner arrangerade: Axel A har totalt 4 kolumner, avståndet mellan axel A och axel B är 13,2 m och avståndet mellan axel B och axel C är 6,8 m. Avståndet mellan de 4 kolumnerna på axel A är 5,9 m (1-2 axlar), 8,2 m (2-3 axlar) respektive 5,9 m (3-4 axlar).

 

 

 

National Structural Code of the Philippines (NSCP) 2015: Styr den övergripande strukturella designen, lastberäkning, materialprestanda och säkerhetskrav.

Philippine Building Code (PBC) 2004: Reglerar byggnadsanvändning, brandsäkerhet och strukturell hållbarhet motsvarande multifunktionella byggnader (parkering, lager, kontor, bostäder, offentliga utrymmen).

Seismiska designkriterier: Manila ligger i en måttlig seismisk zon med en Peak Ground Acceleration (PGA) på 0,15g; den strukturella designen använder seismisk intensitet 7 (0,15g) för anti-seismisk kontroll.

Vindbelastningskriterier: Den grundläggande vindhastigheten i Manila är 45 m/s (Kategori 3); vindlastberäkning följer NSCP 2015 kapitel 28, med beaktande av vindtrycksfördelning och strukturell vindmotståndskoefficient.

 

 

Egenlast (DL): Enligt NSCP 2015, kombinerat med byggnadsfunktionen: tak (2,5 kN/m²), bostadsgolv (2,0 kN/m²), kontorsgolv (2,5 kN/m²), lagergolv (5,0 kN/m²), parkeringsplats (4,0 kN/m²), mezzanin (3,0 kN/m²); egen-vikt av stålkonstruktionselement beräknas baserat på faktisk sektionsstorlek.

Levande last (LL): Bostadsområde (2,5 kN/m²), kontorsyta (3,0 kN/m²), lager (10,0 kN/m²), parkeringsplats (2,5 kN/m² per fordon, plus 1,0 kN/m² för fotgängare), offentligt tak på taket (2,0 kN/m²).

Seismisk belastning (EL): Beräknad med hjälp av responsspektrummetoden, med hänsyn till den strukturella massfördelningen, styvhetsegenskaperna och dämpningsförhållandet (0,05 för stålkonstruktioner).

Vindbelastning (WL): Beräknat som vindtryck (w=0.613 × V², V=45 m/s) och fördelat på varje våning enligt höjd och strukturell form; vind-inducerad vibration kontrolleras för höga-delar (5-8 våningar).

Övriga laster: Snöbelastning beaktas inte (Manila är en tropisk region); jordbävnings-inducerade sekundära belastningar (som P-Δ-effekt) och temperaturpåkänningar ingår i konstruktionskontrollen.

 

 

Med tanke på byggnadens funktion, utrymmeskrav och lokala krav, antas en stålramkonstruktion, som har fördelarna med låg vikt, hög hållfasthet, god duktilitet och snabb konstruktion. Det specifika strukturella arrangemanget är som följer:

Kolumner: Stål H-balkar används; pelarsektionerna bestäms utifrån varje vånings bärförmåga-. 1:a-2:a våningen (parkering + lager) antar H600×250×8×12 mm på grund av stor belastning; våningarna 3-4 (kontor) antar H500×200×7×10 mm; våningarna 5-8 (bostäder + tak) antar H400×200×6×8 mm.

Balkar: Stål H-balkar används för golvbalkar och takbalkar. Balkarna mellan axel A och axel B (13,2 m spännvidd) använder H500×200×7×10 mm (1:a-2:a våningen) och H450×180×6×9 mm (3:e-8:e våningen); balkarna mellan axel B och axel C (6,8 m spännvidd) antar H400×180×6×8 mm (alla golv); mezzaninbalkarna använder H300×150×6×8 mm.

Golvplatta: Kompositgolv (ståldäck + betong) har antagits, med en betongtjocklek på 120 mm (bostäder/kontor), 150 mm (lager/parkering) och 100 mm (mezzanin/tak); ståldäcksmodellen är B-120, med en tjocklek på 1,2 mm.

Sidomotståndssystem: Själva stålramen ger sidostyvhet; dessutom är diagonalstag anordnade i byggnadens hörn (axel A-1, A-4, C-1, C-4) för att förbättra sidomotståndet mot vind och seismiska belastningar.

 

 

Stålförbrukningen inkluderar alla huvudsakliga konstruktionsdelar: pelare, balkar, golvståldäck, diagonalstag och anslutningskomponenter (bultar, svetsmaterial, etc.). 10 % tillägg tillkommer för anslutningskomponenter (bultar, svetsning, etc.) baserat på vikten av huvudelement, vilket är i linje med den konventionella beräkningsstandarden för stålkonstruktionsprojekt.

 

 

Strukturell komponent	Specifikation	Kvantitet	Enhetsvikt (kg/m)	Total längd (m)	Totalvikt (kg)
Kolumner (1:a-2:a våningen)	H600×250×8×12	12 (3 rader × 4 kolumner)	118.5	144 (12 kolumner × 12 m total höjd för 1:a-2:a våningen)	17064
Kolumner (3:e-4:e våningen)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 kolumner × 7,5 m total höjd för våning 3-4)	7587
Kolumner (5:e–8:e våningen)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 kolumner × 11,2 m total höjd för 5:e–8:e våningen)	8346.24
Balkar (A-B-axel, 1:a-2:a våningen)	H500×200×7×10	24 (4 spann × 6 våningar, 1:a-2:a våningen)	84.3	316,8 (24 strålar × 13,2 m spännvidd)	26706.24
Balkar (A-B-axel, 3:e-8:e våningen)	H450×180×6×9	48 (4 spann × 12 våningar, våning 3–8)	70.2	633,6 (48 strålar × 13,2 m spännvidd)	44478.72
Balkar (B-C-axel, alla våningar)	H400×180×6×8	72 (4 spann × 18 våningar, alla 8 våningar)	58.5	489,6 (72 strålar × 6,8 m spännvidd)	28641.6
Mezzaninbalkar	H300×150×6×8	12 (4 spann × 3 rader)	40.2	120 (12 strålar × 10 m medelspann)	4824
Diagonala hängslen	H200×150×6×8	32 (4 hörn × 8 våningar)	30.1	179,2 (32 hängslen × 5,6 m medellängd)	5393.92
Golv ståldäck	B-120 (1,2 mm)	1 set (alla våningar)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 våningar, exklusive tak)	34560
Takplåtsdäck	B-120 (1,2 mm)	1 set	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Huvudmedlemmar Totalt	-	-	-	-	182407.72
Anslutningsbidrag (10 %)	-	-	-	-	18240.77
Total stålförbrukning	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 ton)

 

Total stålförbrukning: Cirka 200,65 ton (inklusive 10 % anslutningsbidrag).

Stålförbrukning per enhet: 200,65 ton / (20m×20m×8 våningar)=62.7 kg/m² (beräknat baserat på den totala golvytan på 3200 m²).

Enhetens stålförbrukning ligger inom det rimliga intervallet (60-80 kg/m²) för multifunktionsbyggnader av stålram, vilket överensstämmer med designstandarderna för liknande projekt i Manila.

 

 

Följande analys utvärderar tillämpligheten av den nuvarande strukturella designen (baserad på Manila lokala koder) på CBC:s huvudmarknader som Tonga, Nya Kaledonien, Papua Nya Guinea, Chile och Peru, med fokus på skillnader i lokal seismik, vindbelastning och krav på byggnormer.

 

 

Seismiska förhållanden: Tonga ligger i en hög seismisk zon (Pacific Ring of Fire) med en PGA på 0,30-0,40g, vilket är mycket högre än Manilas 0,15g.

Vindbelastning: Grundvindhastigheten är 55-60 m/s (cyklonregion), betydligt högre än Manilas 45 m/s.

Kodkrav: Uppfyller Tonga Building Code (TBC) 2018, som har strängare krav på sidomotstånd och strukturell duktilitet.

Tillämplighetsbedömning: Rekommenderas inte. Den nuvarande strukturella styvheten och det seismiska motståndet är otillräckligt för att motstå Tongas höga seismiska belastningar och vindbelastningar; pelar-balksektionerna och sidostödsystemet behöver förstärkas avsevärt och stålförbrukningen kommer att öka med 30-40 %.

 

 

Seismiska förhållanden: Måttlig seismisk zon med en PGA på 0,20 g, något högre än Manilas 0,15 g.

Vindbelastning: Den grundläggande vindhastigheten är 50 m/s (tropisk cyklon-utsatt område), högre än Manilas 45 m/s.

Kodkrav: Följer French Overseas Territories Building Code (RTC) 2020, som liknar europeiska standarder och har strikta krav på strukturell hållbarhet och vindmotstånd.

Tillämplighetsbedömning: Kräver ändring. Den nuvarande designen kan anpassas efter partiella justeringar: stärk det laterala stödsystemet, öka tjockleken på kolumn-balkflänsarna med 2-3 mm och justera de seismiska beräkningsparametrarna; stålförbrukningen ökar med 15-20%.

 

Seismiska förhållanden: Hög seismisk zon med en PGA på 0,25-0,35 g, högre än Manilas 0,15 g; seismisk aktivitet är frekvent och intensiv.

Vindbelastning: Grundvindhastigheten är 48-52 m/s, något högre än Manilas 45 m/s.

Kodkrav: Antar Papua Nya Guinea National Building Code (PNG NBC) 2015, som betonar seismiskt motstånd och strukturell duktilitet för-höghus.

Tillämplighetsbedömning: Kräver ändring. De huvudsakliga justeringarna inkluderar: att öka kolumn-balksektionens storlek (särskilt 1:a-2:a våningen), lägga till fler sidostöd och optimera det seismiska energiförlustsystemet; stålförbrukningen ökar med 25-30%.

 

 

Seismiska förhållanden: En av de högsta seismiska zonerna i världen med en PGA på 0,40-0,50 g, långt över Manilas 0,15g; jordbävningar med stor magnitud förekommer ofta.

Vindbelastning: Grundvindhastigheten är 40-45 m/s, liknande Manilas 45 m/s.

Kodkrav: Följer den chilenska bygglagen (NCh 433 Of. 2017), som har de strängaste seismiska designstandarderna i världen, som kräver hög strukturell duktilitet och energiavledningskapacitet.

Tillämplighetsbedömning: Rekommenderas inte. Det nuvarande strukturella systemet kan inte uppfylla Chiles ultra-höga seismiska krav; ett nytt seismiskt-beständigt system (som en stålram-stag-energiavledningssystem) behöver designas om, och stålförbrukningen kommer att öka med 50 % eller mer.

 

 

Seismiska förhållanden: Hög seismisk zon med en PGA på 0,25-0,30 g, högre än Manilas 0,15 g; seismisk intensitet varierar beroende på region (kustområdena är mer allvarliga).

Vindbelastning: Grundvindhastigheten är 42-48 m/s, något lägre än eller liknande Manilas 45 m/s.

Kodkrav: Antar den peruanska bygglagen (E070) 2017, som har strikta krav på seismisk design och strukturell stabilitet hos höghus.

Tillämplighetsbedömning: Kräver ändring. De huvudsakliga justeringarna inkluderar: förstärkning av kolumn-balkanslutningarna, ökning av strukturens laterala styvhet och optimering av den seismiska lastberäkningen; stålförbrukningen ökar med 20-25%.

 

 

Område	Seismisk PGA (g)	Grundläggande vindhastighet (m/s)	Tillämplighetsbedömning	Nyckeländringar krävs
Manila (Filippinerna)	0.15	45	Fullt tillämplig	Ingen
Tonga	0.30-0.40	55-60	Rekommenderas inte	Omfattande omkonstruktion av strukturellt system, betydande ökning av sektionsstorlek och sidostöd
Nya Kaledonien	0.20	50	Kräver modifiering	Förstärk sidostöd, öka flänstjockleken, justera seismiska parametrar
Papua Nya Guinea	0.25-0.35	48-52	Kräver modifiering	Öka kolumn-balksektionsstorleken, lägg till sidostöd, optimera energiavledningssystemet
Chile	0.40-0.50	40-45	Rekommenderas inte	Konstruera om seismiskt-beständigt system, lägg till energiavledare, öka strukturell styvhet avsevärt
Peru	0.25-0.30	42-48	Kräver modifiering	Förstärk kolumn-balkanslutningar, öka sidostyvheten, optimera seismiska beräkningar

 

Med förutsättningen att man uppfyller Manilas lokala föreskrifter och garanterar strukturell säkerhet, kan följande optimeringsåtgärder vidtas för att minska stålförbrukningen, förbättra strukturell effektivitet och minska projektkostnaderna, utan att påverka byggnadens funktion och utrymmesbehov.

 

 

Kolumner: För 5:e-8:e våningen (bostadsområde, liten belastning) kan pelarsektionen optimeras från H400×200×6×8 mm till H350×180×6×8 mm. Spänningskvotskontrollen visar att den optimerade sektionen fortfarande kan uppfylla kraven på bärighet, vilket minskar stålförbrukningen med cirka 8 % för dessa pelare.

Balkar: För balkarna mellan Axel B och Axel C (6,8m spännvidd, liten belastning) kan sektionen optimeras från H400×180×6×8 mm till H350×180×6×8 mm, vilket minskar stålförbrukningen med cirka 6% för dessa balkar.

 

 

De nuvarande diagonalstagen är anordnade på alla 8 våningar; de kan optimeras för att arrangeras med intervaller (varannan våning) för 5:e-8:e våningen (bostadsområde, liten sidobelastning). Denna justering kan minska antalet stag med 50 % för de övre våningarna, samtidigt som den säkerställer att sidostyvheten uppfyller kraven, vilket minskar stålförbrukningen med cirka 5 % för stagsystemet.

 

 

Den nuvarande designen använder stål Q235B och Q355B; den kan ersättas med allt Q355B eller hög-hållfast stål för huvudpelare och balkar (1:a-4:e våningen, stor belastning). så att sektionsstorleken kan reduceras på lämpligt sätt samtidigt som samma bärförmåga bibehålls. Denna optimering kan minska stålförbrukningen med cirka 10-12 % för huvudmedlemmarna.

 

 

För 5:e-7:e våningen (bostadsområde) kan betongtjockleken på kompositgolvet minskas från 120 mm till 100 mm, och ståldäckets tjocklek kan bibehållas på 1,2 mm. Denna justering kan minska golvets egenlast och därigenom minska pelares och balkars bärighetskrav och indirekt minska stålförbrukningen med cirka 3-4 %.

 

 

Efter en omfattande optimering kan den totala stålförbrukningen minskas med 15-20%, från de ursprungliga 200,65 ton till 160,52-170,55 ton. Enhetens stålförbrukning kommer att reduceras till 50,16-53,30 kg/m², vilket fortfarande är inom rimligt intervall och effektivt kan minska projektkostnaderna samtidigt som den garanterar strukturell säkerhet och uppfyller lokala krav.

 

Den strukturella utformningen av den 8-vånings multifunktionella byggnaden uppfyller kraven i Manilas lokala regler (NSCP 2015, PBC 2004) och lastkrav, med en total stålförbrukning på cirka 200,65 ton och en enhetsstålförbrukning på 62,7 kg/m². För andra regioner: det är fullt tillämpligt i Manila; kräver ändringar i Nya Kaledonien, Papua Nya Guinea och Peru (med motsvarande ökning av stålförbrukningen); och rekommenderas inte i Tonga och Chile (på grund av ultrahöga krav på seismisk/vindlast). Genom sektionsoptimering, materialbyte och systemjustering kan stålförbrukningen minskas med 15-20% utan att påverka den strukturella säkerheten, vilket har betydande ekonomiska fördelar.