Proiectare structurală și analiza clădirii prefabricate multifuncționale cu 8 etaje pentru client filipinez

Proiectare structurală și analiza clădirii multifuncționale cu 8 etaje pentru client filipinez

 

 

Acest proiect este o clădire multifuncțională cu 8 etaje situată în Manila, Filipine, cu o dimensiune totală de 20 m × 20 m. Inaltimea fiecarui etaj este astfel proiectata: etajul 1 (parcare) plus mezanin totaluri in 6m; etajul 2 (depozit) are 6m inaltime; etajele 3 și 4 (zone de birouri) sunt în 4,5m și respectiv 3,4m; etajele 5-7 (zonele rezidențiale) au fiecare 3,4 m înălțime; etajul 8 (spațiu public pe acoperiș) plus înălțimea acoperișului este de 2,8 m. Pentru optimizarea spațiului sunt aranjate doar 3 rânduri de stâlpi structurali: Axa A are 4 coloane în total, distanța dintre Axa A și Axa B este de 13,2 m, iar distanța dintre Axa B și Axa C este de 6,8 m. Distanța dintre cele 4 coloane de pe axa A este de 5,9 m (1-2 axe), 8,2 m (2-3 axe) și, respectiv, 5,9 m (3-4 axe).

 

 

 

Codul structural național al Filipinelor (NSCP) 2015: guvernează proiectarea structurală generală, calculul sarcinii, performanța materialului și cerințele de siguranță.

Codul de construcții filipinez (PBC) 2004: reglementează utilizarea clădirilor, siguranța la incendiu și durabilitatea structurală corespunzătoare clădirilor multifuncționale (parcare, depozit, birou, rezidențial, spațiu public).

Criterii de proiectare seismică: Manila este situată într-o zonă seismică moderată, cu o accelerație de vârf a solului (PGA) de 0,15 g; proiectarea structurală adoptă intensitatea seismică 7 (0,15 g) pentru verificarea antiseismică.

Criterii de încărcare a vântului: Viteza de bază a vântului în Manila este de 45 m/s (Categoria 3); Calculul sarcinii vântului urmează NSCP 2015 Capitolul 28, luând în considerare distribuția presiunii vântului și coeficientul structural de rezistență la vânt.

 

 

Sarcină moartă (DL): Conform NSCP 2015, combinată cu funcția de clădire: acoperiș (2,5 kN/m²), etaj rezidențial (2,0 kN/m²), podea birou (2,5 kN/m²), podea depozit (5,0 kN/m²), parcare (4,0 kN/m²), mezanin (3,0 kN/m²); Greutatea proprie-a elementelor structurii de oțel este calculată pe baza dimensiunii reale a secțiunii.

Sarcină sub tensiune (LL): zonă rezidențială (2,5 kN/m²), zonă de birouri (3,0 kN/m²), depozit (10,0 kN/m²), parcare (2,5 kN/m² per vehicul, plus 1,0 kN/m² pentru pieton), spațiu public pe acoperiș (2,0 kN/m²).

Sarcina seismică (EL): Calculată folosind metoda spectrului de răspuns, luând în considerare distribuția masei structurale, caracteristicile de rigiditate și raportul de amortizare (0,05 pentru structurile din oțel).

Sarcina vântului (WL): calculată ca presiunea vântului (w=0.613 × V², V=45 m/s) și distribuită la fiecare etaj în funcție de înălțime și forma structurală; vibrațiile-induse de vânt sunt verificate pentru părțile-înalte (5-8 etaje).

Alte încărcături: încărcarea cu zăpadă nu este luată în considerare (Manila este o regiune tropicală); Sarcinile secundare induse de cutremur-(cum ar fi efectul P-Δ) și stresul termic sunt incluse în verificarea proiectului.

 

 

Având în vedere funcția clădirii, cerințele de spațiu și cerințele codului local, se adoptă o structură de cadru din oțel, care are avantajele unei greutăți ușoare, rezistență ridicată, ductilitate bună și construcție rapidă. Aranjamentul structural specific este următorul:

Stâlpi: sunt folosite grinzi H-de oțel; secțiunile coloanei sunt determinate în funcție de capacitatea portantă-de sarcină a fiecărui etaj. Etajele 1-2 (parcare + depozit) adoptă H600×250×8×12 mm datorită încărcăturii mari; etajele 3-4 (birou) adoptă H500×200×7×10 mm; etajele 5-8 (rezidential + acoperis) adopta H400×200×6×8 mm.

Grinzi: grinzile H-de oțel sunt utilizate pentru grinzile de podea și grinzile de acoperiș. Grinzile dintre Axa A și Axa B (13,2m deschidere) adoptă H500×200×7×10 mm (etajele 1-2) și H450×180×6×9 mm (etajele 3-8); grinzile dintre Axa B și Axa C (port 6,8m) adoptă H400×180×6×8 mm (toate etajele); grinzile de mezanin adoptă H300×150×6×8 mm.

Pardoseală: Se adoptă placa de pardoseală compozită (plate de oțel + beton), cu grosimea betonului de 120mm (rezidențial/birou), 150mm (depozit/parcare) și 100mm (mezzanin/acoperiș); modelul de tablă din oțel este B-120, cu o grosime de 1,2 mm.

Sistem de rezistență laterală: Cadrul de oțel în sine oferă rigiditate laterală; in plus, la colturile cladirii sunt dispuse bretele diagonale (Axa A-1, A-4, C-1, C-4) pentru a spori rezistenta laterala impotriva vantului si a sarcinilor seismice.

 

 

Consumul de oțel include toate elementele structurale principale: stâlpi, grinzi, pardoseli din oțel de podea, diagonale și componente de legătură (șuruburi, materiale de sudură etc.). Se adaugă o alocație de 10% pentru componentele de conectare (șuruburi, sudură etc.) în funcție de greutatea elementelor principale, ceea ce este în conformitate cu standardul convențional de calcul al proiectelor de structuri din oțel.

 

 

Componentă structurală	Caietul de sarcini	Cantitate	Greutate unitară (kg/m)	Lungime totală (m)	Greutate totală (kg)
Coloane (etajele 1-2)	H600×250×8×12	12 (3 rânduri × 4 coloane)	118.5	144 (12 coloane × 12 m înălțime totală pentru etajele 1-2)	17064
Coloane (etajele 3-4)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 coloane × 7,5 m înălțime totală pentru etajele 3-4)	7587
Coloane (etajele 5-8)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 coloane × 11,2 m înălțime totală pentru etajele 5-8)	8346.24
Grinzi (axa A-B, etajele 1-2)	H500×200×7×10	24 (4 trave × 6 etaje, etajele 1-2)	84.3	316,8 (24 fascicule × 13,2 m deschidere)	26706.24
Grinzi (axa A-B, etajele 3-8)	H450×180×6×9	48 (4 trave × 12 etaje, etajele 3-8)	70.2	633,6 (48 de fascicule × 13,2 m deschidere)	44478.72
Grinzi (axa B-C, toate etajele)	H400×180×6×8	72 (4 trave × 18 etaje, toate cele 8 etaje)	58.5	489,6 (72 de fascicule × 6,8 m lungime)	28641.6
Grinzi de mezanin	H300×150×6×8	12 (4 trave × 3 rânduri)	40.2	120 (12 fascicule × 10 m lungime medie)	4824
Bretele diagonale	H200×150×6×8	32 (4 colțuri × 8 etaje)	30.1	179,2 (32 bretele × 5,6 m lungime medie)	5393.92
Pardoseală din oțel	B-120 (1,2 mm)	1 set (toate etajele)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 etaje, fără acoperiș)	34560
Acoperiș punte din oțel	B-120 (1,2 mm)	1 set	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Total membri principali	-	-	-	-	182407.72
Alocație de conectare (10%)	-	-	-	-	18240.77
Consumul total de oțel	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tone)

 

Consum total de oțel: Aproximativ 200,65 tone metrice (inclusiv 10% alocație de conectare).

Consum unitar de oțel: 200,65 tone / (20m×20m×8 etaje)=62.7 kg/m² (calculat pe baza suprafeței totale a podelei de 3200 m²).

Consumul unitar de oțel este în intervalul rezonabil (60-80 kg/m²) pentru clădirile multifuncționale cu cadru de oțel, ceea ce este în concordanță cu standardele de proiectare ale proiectelor similare din Manila.

 

 

Următoarea analiză evaluează aplicabilitatea designului structural actual (pe baza codurilor locale Manila) pe principalele piețe ale CBC, cum ar fi Tonga, Noua Caledonie, Papua Noua Guinee, Chile și Peru, concentrându-se pe diferențele dintre cerințele locale seismice, încărcăturii vântului și codurilor de construcție.

 

 

Condiții seismice: Tonga este situată într-o zonă seismică înaltă (Celul de foc al Pacificului) cu un PGA de 0,30-0,40 g, care este mult mai mare decât 0,15 g din Manila.

Sarcina vântului: Viteza de bază a vântului este de 55-60 m/s (regiune ciclonică), semnificativ mai mare decât 45 m/s din Manila.

Cerințe de cod: respectă Codul de construcții Tonga (TBC) 2018, care are cerințe mai stricte pentru rezistența laterală și ductilitatea structurală.

Judecata de aplicabilitate: Nerecomandat. Rigiditatea structurală actuală și rezistența seismică sunt insuficiente pentru a rezista la sarcinile mari seismice și vântului din Tonga; secțiunile stâlp-grinzilor și sistemul de contravântuire laterală trebuie consolidate semnificativ, iar consumul de oțel va crește cu 30-40%.

 

 

Condiții seismice: zonă seismică moderată cu un PGA de 0,20 g, puțin mai mare decât 0,15 g din Manila.

Sarcina vântului: viteza de bază a vântului este de 50 m/s (zona predispusă la-ciclon tropical), mai mare decât 45 m/s din Manila.

Cerințe de cod: Urmează Codul de construcții al teritoriilor franceze de peste mări (RTC) 2020, care este similar cu standardele europene și are cerințe stricte pentru durabilitatea structurală și rezistența la vânt.

Hotărârea de aplicabilitate: necesită modificare. Proiectarea actuală poate fi adaptată după ajustări parțiale: întăriți sistemul de contravântuire laterală, creșteți grosimea flanșelor grinzii stâlp-cu 2-3mm și ajustați parametrii de calcul seismic; consumul de oțel va crește cu 15-20%.

 

Condiții seismice: zonă seismică ridicată cu un PGA de 0,25-0,35 g, mai mare decât 0,15 g din Manila; activitatea seismică este frecventă și intensă.

Sarcina vântului: Viteza de bază a vântului este de 48-52 m/s, puțin mai mare decât 45 m/s din Manila.

Cerințe ale codului: adoptă Codul național al construcțiilor din Papua Noua Guinee (PNG NBC) 2015, care pune accent pe rezistența seismică și ductilitatea structurală pentru clădirile-înalte.

Hotărârea de aplicabilitate: necesită modificare. Principalele ajustări includ: creșterea dimensiunii secțiunii grinzii stâlp-(în special etajele 1-2), adăugarea mai multor contravantaje laterale și optimizarea sistemului de disipare a energiei seismice; consumul de oțel va crește cu 25-30%.

 

 

Condiții seismice: una dintre cele mai înalte zone seismice din lume, cu un PGA de 0,40-0,50 g, depășind cu mult 0,15 g din Manila; cutremure de magnitudine mare au loc frecvent.

Sarcina vântului: Viteza de bază a vântului este de 40-45 m/s, similară cu 45 m/s din Manila.

Cerințe ale codului: respectă Codul de construcții chilian (NCh 433 Of. 2017), care are cele mai stricte standarde de proiectare seismică din lume, necesitând ductilitate structurală ridicată și capacitate de disipare a energiei.

Judecata de aplicabilitate: Nerecomandat. Sistemul structural actual nu poate îndeplini cerințele ultra-seismice ale Chile; un nou sistem rezistent la seismic-(cum ar fi un cadru de oțel-concentrație-sistem de disipator de energie) trebuie reproiectat, iar consumul de oțel va crește cu 50% sau mai mult.

 

 

Condiții seismice: zonă seismică ridicată cu un PGA de 0,25-0,30 g, mai mare decât 0,15 g din Manila; intensitatea seismică variază în funcție de regiune (zonele de coastă sunt mai severe).

Sarcina vântului: Viteza de bază a vântului este de 42-48 m/s, puțin mai mică decât sau similară cu 45 m/s din Manila.

Cerințe ale codului: adoptă Codul peruvian al construcțiilor (E070) 2017, care are cerințe stricte pentru proiectarea seismică și stabilitatea structurală a clădirilor-înalte.

Hotărârea de aplicabilitate: necesită modificare. Principalele ajustări includ: consolidarea conexiunilor stâlp-grinzilor, creșterea rigidității laterale a structurii și optimizarea calculului sarcinii seismice; consumul de oțel va crește cu 20-25%.

 

 

Regiune	PGA seismic (g)	Viteza de bază a vântului (m/s)	Hotărârea de aplicabilitate	Sunt necesare modificări cheie
Manila (Filipine)	0.15	45	Complet aplicabil	Nici unul
Tonga	0.30-0.40	55-60	Nerecomandat	Reproiectare cuprinzătoare a sistemului structural, creștere semnificativă a dimensiunii secțiunii și contravântuiri laterale
Noua Caledonie	0.20	50	Necesită modificare	Consolidați contravântuirea laterală, măriți grosimea flanșei, reglați parametrii seismici
Papua Noua Guinee	0.25-0.35	48-52	Necesită modificare	Măriți dimensiunea-secțiunii grinzii stâlpului, adăugați contravantaje laterale, optimizați sistemul de disipare a energiei
Chile	0.40-0.50	40-45	Nerecomandat	Reproiectați sistemul rezistent-seismic, adăugați disipatori de energie, creșteți foarte mult rigiditatea structurală
Peru	0.25-0.30	42-48	Necesită modificare	Consolidați conexiunile stâlp-grinzilor, creșteți rigiditatea laterală, optimizați calculul seismic

 

Pe baza respectării codurilor locale din Manila și a asigurării siguranței structurale, pot fi luate următoarele măsuri de optimizare pentru a reduce consumul de oțel, a îmbunătăți eficiența structurală și a reduce costurile proiectului, fără a afecta funcționalitatea clădirii și cerințele de spațiu.

 

 

Coloane: pentru etajele 5-8 (zonă rezidențială, încărcare mică), secțiunea coloanei poate fi optimizată de la H400×200×6×8 mm la H350×180×6×8 mm. Verificarea raportului de tensiuni arată că secțiunea optimizată poate îndeplini în continuare cerințele portante, reducând consumul de oțel cu aproximativ 8% pentru aceste stâlpi.

Grinzi: Pentru grinzile dintre Axa B și Axa C (port 6,8m, sarcină mică), secțiunea poate fi optimizată de la H400×180×6×8 mm la H350×180×6×8 mm, reducând consumul de oțel cu aproximativ 6% pentru aceste grinzi.

 

 

Actualele bretele diagonale sunt dispuse la toate cele 8 etaje; pot fi optimizate pentru a fi amenajate la intervale (la fiecare 2 etaje) pentru etajele 5-8 (zona rezidentiala, sarcina laterala mica). Această ajustare poate reduce numărul de contravântuiri cu 50% pentru etajele superioare, asigurând în același timp că rigiditatea laterală îndeplinește cerințele, reducând consumul de oțel cu aproximativ 5% pentru sistemul de contravântuire.

 

 

Designul actual adoptă oțel Q235B și Q355B; poate fi înlocuit cu tot Q355B sau oțel-de înaltă rezistență pentru stâlpii și grinzile principale (etajele 1-4, sarcină mare). astfel încât dimensiunea secțiunii poate fi redusă în mod corespunzător, menținând în același timp aceeași capacitate portantă. Această optimizare poate reduce consumul de oțel cu aproximativ 10-12% pentru membrii principali.

 

 

Pentru etajele 5-7 (zonă rezidențială), grosimea betonului compozit al plăcii de podea poate fi redusă de la 120 mm la 100 mm, iar grosimea tablierului din oțel poate fi menținută la 1,2 mm. Această ajustare poate reduce sarcina moartă a podelei, reducând astfel cerințele portante ale stâlpilor și grinzilor și reducând indirect consumul de oțel cu aproximativ 3-4%.

 

 

După o optimizare completă, consumul total de oțel poate fi redus cu 15-20%, de la 200,65 tone inițiale la 160,52-170,55 tone. Consumul unitar de oțel va fi redus la 50,16-53,30 kg/m², ceea ce este încă în intervalul rezonabil și poate reduce efectiv costurile proiectului, asigurând în același timp siguranța structurală și respectarea cerințelor codului local.

 

Designul structural al clădirii multifuncționale cu 8-etaje îndeplinește cerințele codurilor locale din Manila (NSCP 2015, PBC 2004) și cerințele de încărcare, cu un consum total de oțel de aproximativ 200,65 tone și un consum unitar de oțel de 62,7 kg/m². Pentru alte regiuni: este pe deplin aplicabil în Manila; necesită modificări în Noua Caledonie, Papua Noua Guinee și Peru (cu creșteri corespunzătoare ale consumului de oțel); și nu este recomandat în Tonga și Chile (din cauza cerințelor de încărcare seismică/vânt ultra-înaltă). Prin optimizarea secțiunii, înlocuirea materialului și ajustarea sistemului, consumul de oțel poate fi redus cu 15-20% fără a afecta siguranța structurală, ceea ce are beneficii economice semnificative.