8 szintes többfunkciós előregyártott épület szerkezeti tervezése és elemzése Fülöp-szigeteki ügyfél számára

8 emeletes többfunkciós épület szerkezeti tervezése és elemzése Fülöp-szigeteki ügyfél számára

 

 

Ez a projekt egy 8 szintes többfunkciós épület a Fülöp-szigeteki Manilában, 20m × 20m összmérettel. Az egyes szintek magassága a következőképpen van kialakítva: az 1. emelet (parkoló) plusz a magasföldszint összesen 6 méter; a 2. emelet (raktár) 6m magas; a 3. és 4. emelet (irodaterületek) 4,5 és 3,4 méteresek; az 5-7. emeletek (lakott területek) egyenként 3,4 m magasak; a 8. emelet (tető közterület) plusz tetőmagasság 2,8m. A téroptimalizáláshoz csak 3 sor szerkezeti oszlop van elrendezve: Az A tengelyben összesen 4 oszlop van, az A tengely és a B tengely közötti távolság 13,2 m, a B tengely és a C tengely közötti távolság pedig 6,8 m. Az A tengely 4 oszlopa közötti távolság rendre 5,9 m (1-2 tengely), 8,2 m (2-3 tengely), illetve 5,9 m (3-4 tengely).

 

 

 

A Fülöp-szigetek nemzeti szerkezeti kódexe (NSCP) 2015: Az általános szerkezeti tervezést, a terhelésszámítást, az anyagteljesítményt és a biztonsági követelményeket szabályozza.

Fülöp-szigeteki Építési Szabályzat (PBC) 2004: Szabályozza az épülethasználatot, a tűzbiztonságot és a szerkezeti tartósságot a többfunkciós épületeknek megfelelően (parkoló, raktár, iroda, lakóhely, közterület).

Szeizmikus tervezési kritériumok: Manila mérsékelt szeizmikus zónában található, 0,15 g-os csúcsföldi gyorsulás (PGA) mellett; a szerkezeti terv 7-es (0,15 g) szeizmikus intenzitást alkalmaz az anti-szeizmikus ellenőrzéshez.

Szélterhelési kritériumok: Manilában az alap szélsebesség 45 m/s (3. kategória); A szélterhelés számítása az NSCP 2015 28. fejezetét követi, figyelembe véve a szélnyomás eloszlását és a szerkezeti szélellenállási együtthatót.

 

 

Holtterhelés (DL): Az NSCP 2015 szerint az épület funkciójával kombinálva: tető (2,5 kN/m²), lakószint (2,0 kN/m²), irodaszint (2,5 kN/m²), raktárszint (5,0 kN/m²), parkoló (4,0 kN/m²), magasföldszint (3,0 kN/m²); Az acélszerkezeti elemek önsúlyát a tényleges profilméret alapján számítják ki.

Élő terhelés (LL): Lakóterület (2,5 kN/m²), irodaterület (3,0 kN/m²), raktár (10,0 kN/m²), parkoló (járműnként 2,5 kN/m², plusz 1,0 kN/m² gyalogos), tetőtéri közterület (2,0 kN/m²).

Szeizmikus terhelés (EL): válaszspektrum módszerrel számítva, figyelembe véve a szerkezeti tömegeloszlást, a merevségi jellemzőket és a csillapítási arányt (acél szerkezeteknél 0,05).

Szélterhelés (WL): szélnyomásként számítva (w=0.613 × V², V=45 m/s), és minden emeletre elosztva a magasság és a szerkezeti alak szerint; a szél-rezgést a magasan-emelkedő részeken (5-8 emelet) ellenőrzik.

Egyéb terhelések: A hóterhelést nem veszik figyelembe (Manila trópusi régió); A földrengés-kiváltotta másodlagos terhelések (például a P-Δ hatás) és a hőmérsékleti igénybevétel beleszámítanak a tervezési ellenőrzésbe.

 

 

Figyelembe véve az épület funkcióját, a helyigényeket és a helyi előírásokat, acél vázszerkezetet alkalmaznak, amelynek előnyei a könnyű súly, a nagy szilárdság, a jó alakíthatóság és a gyors felépítés. A konkrét szerkezeti elrendezés a következő:

Oszlopok: Acél H-gerendákat használnak; az oszlopszakaszokat az egyes emeletek teherbírása szerint- kell meghatározni. Az 1-2. emeletek (parkoló + raktár) a nagy terhelés miatt 600×250×8×12 mm-es méreteket fogadnak el; a 3.-4. emelet (iroda) 500×200×7×10 mm-es; az 5-8. emeletek (lakó + tető) 400×200×6×8 mm méretűek.

Gerendák: Az acél H{0}}gerendákat padlógerendákhoz és tetőgerendákhoz használják. Az A és B tengely közötti gerendák (13,2 m fesztáv) 500 × 200 × 7 × 10 mm-es (1. és 2. emelet) és 450 × 180 × 6 × 9 mm (3. és 8. emelet) méretűek; a B és C tengely közötti gerendák (6,8 m fesztáv) 400 × 180 × 6 × 8 mm nagyságúak (minden emeleten); a mezzanine gerendák mérete 300×150×6×8 mm.

Padlófödém: Kompozit padlólemezt (acél fedélzet + beton) alkalmaznak, betonvastagsága 120 mm (lakó/iroda), 150 mm (raktár/parkoló) és 100 mm (mezzanine/tető); az acél fedélzeti modell B-120, vastagsága 1,2 mm.

Oldalirányú ellenállási rendszer: Maga az acélkeret oldalirányú merevséget biztosít; emellett az épület sarkaiban átlós merevítők vannak elrendezve (A-1, A-4, C-1, C-4 tengely), hogy fokozzák az oldalirányú ellenállást a széllel és a szeizmikus terhelésekkel szemben.

 

 

Az acélfelhasználás magában foglalja az összes fő szerkezeti elemet: oszlopok, gerendák, padlóacél burkolatok, átlós merevítők és csatlakozóelemek (csavarok, hegesztőanyagok stb.). A csatlakozási elemekre (csavarok, hegesztés stb.) a főelemek súlya alapján 10% ráhagyás jár, ami megfelel az acélszerkezeti projektek hagyományos számítási szabványának.

 

 

Szerkezeti komponens	Specifikáció	Mennyiség	Egységsúly (kg/m)	Teljes hossz (m)	Teljes súly (kg)
Oszlopok (1.-2. emelet)	H600×250×8×12	12 (3 sor × 4 oszlop)	118.5	144 (12 oszlop × 12 m teljes magasság az 1-2. emeleten)	17064
Oszlopok (3.-4. emelet)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 oszlop × 7,5 m teljes magasság a 3-4. emeleten)	7587
Oszlopok (5-8. emelet)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 oszlop × 11,2 m teljes magasság az 5-8. emeleteken)	8346.24
Gerendák (A-B tengely, 1.-2. emelet)	H500×200×7×10	24 (4 nyílás × 6 emelet, 1-2. emelet)	84.3	316,8 (24 gerenda × 13,2 m fesztáv)	26706.24
Gerendák (A-B tengely, 3-8. emelet)	H450×180×6×9	48 (4 nyílás × 12 emelet, 3-8. emelet)	70.2	633,6 (48 gerenda × 13,2 m fesztáv)	44478.72
Gerendák (B-C tengely, minden emelet)	H400×180×6×8	72 (4 nyílás × 18 emelet, mind a 8 emelet)	58.5	489,6 (72 gerenda × 6,8 m fesztáv)	28641.6
Mezzanine gerendák	H300×150×6×8	12 (4 fesztáv × 3 sor)	40.2	120 (12 gerenda × 10 m átlagos fesztáv)	4824
Átlós merevítők	H200×150×6×8	32 (4 sarok × 8 emelet)	30.1	179,2 (32 merevítő × 5,6 m átlagos hosszúság)	5393.92
Padló acél fedélzet	B-120 (1,2 mm)	1 szett (minden emeleten)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 emelet, tető nélkül)	34560
Tetőacél fedélzet	B-120 (1,2 mm)	1 szett	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Fő tagok összesen	-	-	-	-	182407.72
Csatlakozási juttatás (10%)	-	-	-	-	18240.77
Teljes acélfelhasználás	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tonna)

 

Teljes acélfogyasztás: Körülbelül 200,65 metrikus tonna (beleértve a 10%-os csatlakozási ráhagyást).

Egység acélfelhasználás: 200,65 tonna / (20m×20m×8 emelet)=62.7 kg/m² (3200 m² teljes alapterület alapján számolva).

Az egységnyi acélfogyasztás az ésszerű tartományon belül van (60-80 kg/m²) az acélvázas többfunkciós épületeknél, ami összhangban van a manilai hasonló projektek tervezési szabványaival.

 

 

Az alábbi elemzés a jelenlegi szerkezeti terv alkalmazhatóságát (a manilai helyi kódok alapján) értékeli a CBC fő piacain, mint például Tongában, Új-Kaledóniában, Pápua Új-Guineában, Chilében és Peruban, a helyi szeizmikus, szélterhelési és építési előírások közötti különbségekre összpontosítva.

 

 

Szeizmikus viszonyok: Tonga magas szeizmikus zónában (Csendes-óceáni tűzgyűrű) található, 0,30-0,40 g PGA-val, ami sokkal magasabb, mint Manila 0,15 g-ja.

Szélterhelés: Az alap szélsebesség 55-60 m/s (ciklonális régió), lényegesen magasabb, mint Manila 45 m/s.

Kódkövetelmények: Megfelel a 2018-as Tonga Építési Szabályzatnak (TBC), amely szigorúbb követelményeket ír elő az oldalirányú ellenállásra és a szerkezeti hajlékonyságra vonatkozóan.

Alkalmazhatósági ítélet: Nem ajánlott. A jelenlegi szerkezeti merevség és szeizmikus ellenállás nem elegendő ahhoz, hogy ellenálljon Tonga nagy szeizmikus és szélterhelésének; az oszlop-gerenda szakaszokat és az oldalsó merevítő rendszert jelentősen meg kell erősíteni, és az acélfogyasztás 30-40%-kal nő.

 

 

Szeizmikus viszonyok: Mérsékelt szeizmikus zóna 0,20 g PGA-val, valamivel magasabb, mint Manila 0,15 g-ja.

Szélterhelés: Az alap szélsebesség 50 m/s (trópusi ciklon-hajlamos terület), nagyobb, mint Manila 45 m/s.

Kódkövetelmények: Követi a francia tengerentúli területek építési szabályzatát (RTC) 2020, amely hasonló az európai szabványokhoz, és szigorú követelményeket támaszt a szerkezeti tartósság és a szélállóság tekintetében.

Alkalmazhatósági ítélet: módosítást igényel. A jelenlegi kialakítás részleges módosítások után módosítható: erősítse meg az oldalsó merevítő rendszert, növelje az oszlop-peremeinek vastagságát 2-3 mm-rel, és módosítsa a szeizmikus számítási paramétereket; az acélfogyasztás 15-20%-kal nő.

 

Szeizmikus viszonyok: Magas szeizmikus zóna 0,25-0,35 g PGA-val, magasabb, mint Manilában 0,15 g; a szeizmikus aktivitás gyakori és intenzív.

Szélterhelés: Az alap szélsebesség 48-52 m/s, valamivel magasabb, mint Manila 45 m/s.

A kódex követelményei: átveszi a Pápua Új-Guinea Nemzeti Építési Szabályzatot (PNG NBC) 2015, amely kiemeli a szeizmikus ellenállást és a szerkezeti rugalmasságot a sokemeletes épületeknél.

Alkalmazhatósági ítélet: módosítást igényel. A főbb módosítások a következők: az oszlop-nyalábszakasz méretének növelése (különösen az 1.-2. emeleten), több oldalsó merevítés hozzáadása és a szeizmikus energiaeloszlási rendszer optimalizálása; az acélfelhasználás 25-30%-kal nő.

 

 

Szeizmikus viszonyok: A világ egyik legmagasabb szeizmikus zónája, 0,40-0,50 g PGA-val, ami jóval meghaladja a manilai 0,15 g-ot; gyakran előfordulnak nagy erejű földrengések.

Szélterhelés: Az alap szélsebesség 40-45 m/s, hasonló a manilai 45 m/s-hoz.

A kód követelményei: Követi a chilei építési szabályzatot (NCh 433 Of. 2017), amely a világ legszigorúbb szeizmikus tervezési szabványaival rendelkezik, és nagy szerkezeti alakíthatóságot és energialeadási kapacitást követel meg.

Alkalmazhatósági ítélet: Nem ajánlott. A jelenlegi szerkezeti rendszer nem képes megfelelni Chile rendkívül magas szeizmikus követelményeinek; egy új szeizmikus-ellenálló rendszert (például acélvázas-merevítő-energiaelvezető rendszert) újra kell tervezni, és az acélfogyasztás 50%-kal vagy még többel nő.

 

 

Szeizmikus viszonyok: Magas szeizmikus zóna 0,25-0,30 g PGA-val, magasabb, mint Manilában 0,15 g; a szeizmikus intenzitás régiónként változik (a tengerparti területek súlyosabbak).

Szélterhelés: Az alap szélsebesség 42-48 m/s, valamivel kisebb, mint Manila 45 m/s.

A kódex követelményei: átveszi a 2017-es perui építési szabályzatot (E070), amely szigorú követelményeket ír elő a sokemeletes épületek szeizmikus tervezésére és szerkezeti stabilitására vonatkozóan.

Alkalmazhatósági ítélet: módosítást igényel. A főbb kiigazítások a következők: az oszlop-gerendakötések megerősítése, a szerkezet oldalirányú merevségének növelése és a szeizmikus terhelés számításának optimalizálása; az acélfogyasztás 20-25%-kal nő.

 

 

Régió	Szeizmikus PGA (g)	Alap szélsebesség (m/s)	Alkalmazhatósági ítélet	Kulcsfontosságú módosítások szükségesek
Manila (Fülöp-szigetek)	0.15	45	Teljes mértékben alkalmazható	Egyik sem
Tonga	0.30-0.40	55-60	Nem ajánlott	A szerkezeti rendszer átfogó átalakítása, a szelvényméret és az oldalsó merevítés jelentős növelése
Új-Kaledónia	0.20	50	Módosítást igényel	Erősítse meg az oldalsó merevítést, növelje a karima vastagságát, állítsa be a szeizmikus paramétereket
Pápua Új-Guinea	0.25-0.35	48-52	Módosítást igényel	Növelje az oszlop{0}}gerenda szakasz méretét, adjon hozzá oldalsó merevítőket, optimalizálja az energiaelvezető rendszert
Chile	0.40-0.50	40-45	Nem ajánlott	A szeizmikus{0}}ellenálló rendszer újratervezése, energiaelvezető anyagok hozzáadása, nagymértékben növeli a szerkezeti merevséget
Peru	0.25-0.30	42-48	Módosítást igényel	Erősítse meg az oszlopok{0}}nyalábkapcsolatait, növelje az oldalirányú merevséget, optimalizálja a szeizmikus számításokat

 

A Manila helyi előírásainak való megfelelés és a szerkezeti biztonság szavatolása alapján a következő optimalizálási intézkedéseket lehet tenni az acélfogyasztás csökkentése, a szerkezeti hatékonyság javítása és a projektköltségek csökkentése érdekében anélkül, hogy ez befolyásolná az épület funkcióját és helyigényét.

 

 

Oszlopok: Az 5.-8. emeleten (lakóövezet, kis terhelés) az oszlopszakasz 400×200×6×8 mm-ről 350×180×6×8 mm-re optimalizálható. A feszültségviszony ellenőrzése azt mutatja, hogy az optimalizált szakasz továbbra is megfelel a teherbírási követelményeknek, így ezeknél az oszlopoknál körülbelül 8%-kal csökken az acélfogyasztás.

Gerendák: A B és C tengely közötti gerendáknál (6,8 m fesztáv, kis terhelés) a metszet H400×180×6×8 mm-ről H350×180×6×8 mm-re optimalizálható, így ezeknél a gerendáknál körülbelül 6%-kal csökken az acélfogyasztás.

 

 

A jelenlegi átlós merevítők mind a 8 emeleten vannak elrendezve; 5-8. emeletekre (lakóterület, kis oldalterhelés) időközönként (2 emeletenként) optimalizálhatóak. Ezzel a beállítással 50%-kal csökkenthető a merevítések száma a felső emeleteken, miközben biztosítja az oldalirányú merevséget a követelményeknek, és körülbelül 5%-kal csökkenti a merevítőrendszer acélfogyasztását.

 

 

A jelenlegi kialakítás Q235B és Q355B acélt alkalmaz; helyettesíthető minden Q355B-vel vagy nagyszilárdságú acéllal a főoszlopokhoz és gerendákhoz (1.-4. emelet, nagy terhelés). így a szelvény mérete megfelelően csökkenthető, miközben változatlan teherbírású. Ez az optimalizálás körülbelül 10-12%-kal csökkentheti a fő elemek acélfogyasztását.

 

 

Az 5.-7. emeleten (lakóövezetben) a kompozit födém betonvastagsága 120 mm-ről 100 mm-re csökkenthető, az acél fedélzet vastagsága pedig 1,2 mm-en tartható. Ezzel a beállítással csökkenthető a padló önterhelése, ezáltal az oszlopok és a gerendák teherbírása, közvetett módon pedig mintegy 3-4%-kal csökkenthető az acélfogyasztás.

 

 

Átfogó optimalizálás után a teljes acélfogyasztás 15-20%-kal csökkenthető az eredeti 200,65 tonnáról 160,52-170,55 tonnára. Az egységnyi acélfogyasztás 50,16-53,30 kg/m²-re csökken, ami továbbra is az ésszerű tartományon belül van, és hatékonyan csökkentheti a projekt költségeit, miközben biztosítja a szerkezeti biztonságot és megfelel a helyi előírásoknak.

 

A 8- emeletes többfunkciós épület szerkezeti kialakítása megfelel a manilai helyi előírásoknak (NSCP 2015, PBC 2004) és a terhelési követelményeknek, a teljes acélfogyasztás körülbelül 200,65 tonna, az egységnyi acélfogyasztás pedig 62,7 kg/m². Más régiók esetében: teljes mértékben alkalmazható Manilában; módosítást igényel Új-Kaledóniában, Pápua Új-Guineában és Peruban (a megfelelő acélfogyasztás növekedésével); és nem ajánlott Tongában és Chilében (az ultramagas szeizmikus/szélterhelési követelmények miatt). Metszetoptimalizálással, anyagcserével, rendszerbeállítással az acélfelhasználás 15-20%-kal csökkenthető a szerkezeti biztonság befolyásolása nélkül, ami jelentős gazdasági előnyökkel jár.