Design structural din oțel pentru un hotel cu 4 etaje în Papua Noua Guinee

 

Locaţie: Papua Noua Guinee

Zona seismică: Intensitate seismică de8 grade(echivalent cu PGA ≈ 0,3g bazat pe ASCE 7 sau coduri locale similare)

Sarcina de vant: Viteza de bază a vântului =120 km/h (~33.3 m/s)

Încărcare de zăpadă: Nici unul

Utilizarea clădirii:

Nivelul 1: garaj de parcare (înălțime=3.8 m)

Nivelurile 2–4: camere de oaspeți de hotel (înălțimea de la podea-la-pardoseală=3.7 m, 3,7 m și, respectiv, 3,4 m)

Tip acoperiș: Acoperiș cu o singură pantă(pantă presupusă=2% pentru drenaj)

Pereții exteriori: blocuri de beton goale ne-structurale (construite local;nu poartă{0}}sarcină)

Sistem de podea: Tablă din oțel compozit cu acoperire din beton turnat-in-la locul(de precizat)

 

 

Lungimea totală a clădirii: 80 m

Configurarea planului:

Aripa de Est: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Aripa de Vest: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Nota: Planul estenon-dreptunghiular, probabil în formă de L-sau în trepte. Pentru analiza structurală, clădirea este tratată ca două blocuri conectate cu posibil rost de dilatație sau îmbinare rigidă în funcție de detaliile seismice.

Dimensiuni tipice ale golfului: Presupuneți spațierea coloanelor de7,5 m longitudinalşi6,0 m transversal(reglabil în funcție de intrare arhitecturală).

 

 

Cod primar: AISC 360-16 (Specificație pentru clădiri din oțel structural)

Proiectare seismică: ASCE 7-16 (sau echivalent – ​​adaptat pentru seismicitatea PNG)

Sarcina de vant: ASCE 7-16, Capitolul 27 (Procedura Direcțională)

Standarde materiale: ASTM A992 (grinzi/stâlpi), ASTM A36 (plăci, elemente secundare)

 

 

 

Componentă	Sarcina (kN/m²)
Tablă de oțel + 125 mm Placă de beton (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Tavan, MEP, Finisaje	0.5
Acoperis (plata metalica + izolatie)	0.3
Perete de bloc gol (ne-structural, dar aplicat ca sarcină de linie pe grinzi)	~3,0 kN/m(pe metru inaltime)

 

 

Nivel	LL (kN/m²)	Referinţă
Nivelul 1 (Parcare)	2.5	ASCE 7
Nivelurile 2–4 (Hotel)	1.9	ASCE 7 (rezidențial)
Acoperiş	0.5	Sarcina de întreținere

 

 

Viteza de bază a vântului:V = 33.3 m/s

Categoria de expunere:C(presupunând teren suburban/urban)

Factor de rafală:G = 0.85

Coeficient de presiune (Cp):

Perete (spre vânt):+0.8

Perete (sub vent):–0.5

Acoperiș (-o singură pantă):–0,9 până la –0,3(in functie de zona)

Folosind ASCE 7 Eq. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Presupunând (K_z=0.85) la mijlocul-înălțimii (~7 m), (I=1.0), (K_{zt}=1.0), (K_d=0.85):
[ q_z ≈ 0.613 × 0.85 × 1.0 × 0.85 × (33.3)^2 × 1.0 ≈ 0,613 × 0,7225 × 1109 ≈ 490 Pa ≈ 0,49 kN/m² ]

Presiunea vântului de proiectare:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Presiunea maximă a peretelui ≈0,33 kN/m²(spre vânt), aspirație ≈–0,21 kN/m²(sub vânt)

Nota: Din cauza înălțimii mici (<15 m), wind governs lateral stability but seismic may control due to high seismicity.

 

 

Răspuns spectral: Pentru zona de 8 grade, presupunemS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(estimare conservatoare pe adaptarea locală a ASCE 7)

Categoria de risc: II

Factorul R-(cadru de moment din oțel): R = 8(pentru Special Moment Frame – SMF)

Factorul de importanță: (I_e = 1.0)

Perioada fundamentală aproximativă:
[ T_a = C_t h_n^x = 0.028 × (14.6)^{0.8} ≈ 0.028 × 8.5 ≈ 0.24 s ]
(Înălțimea totală (h_n=3.8 + 3×3,7 – 0.3=14.6) m aprox.)

Forfecarea bazei seismice:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5% din greutatea totală- semnificative.

 

 

Suprafața podelei ≈ (55,6×27) + (25×41,7) ≈ 1501 + 1043 =2544 m²

3 etaje ocupate + acoperiș ≈ 4 nivele

Mediu DL + LL pe etaj ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m²

Greutatea totală (W ≈ 2544 × 5,65 × 4 ≈57.500 kN

Forfecare de bază (V ≈ 0,125 × 57.500 ≈7.200 kN

→ Seismicul guvernează vântulpentru proiectare laterală.

 

 

Sistem de rezistență la forța laterală (LFRS):

Cadre speciale cu contravântuiri concentrice (SCBF)sauCadre speciale pentru momente (SMF)

Având în vedere flexibilitatea arhitecturală și nevoia de parcare deschisă,SCBFpreferat pentru eficiență și ductilitate în zonele{0}}seismice ridicate.

Sistem gravitațional:

Grinzi compozite(Forme W-cu știfturi de forfecare + tablă metalică + placă de beton)

Coloane: HSS sau W-secțiuni continue de la fundație până la acoperiș

Concentrarea: X-contrevantări în ambele direcții la miezurile scărilor/liftului și perimetrul, acolo unde este posibil

Acoperiş: o singură-pantă susținută de grinzi de acoperiș înclinate sau cadre conice; pane deasupra.

 

 

6.1 Grinzi de podea (interior tipic)

Anvergura: 7,5 m

Sarcină: (w=(3.25 + 1.9) × 6.0=30.9 kN/m)

Moment maxim: (M=wL^2/8=30.9 × 7,5^2 / 8 ≈ 217 kN·m)

Modulul secțiunii necesar: (Z_x Mai mare sau egal cu M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

Secția de judecată: W410×60(Zₓ=773×10³ mm³, OK)

6.2 Grinzi de margine (cu încărcare pe perete)

Sarcină suplimentară pe perete: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

Total w ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 Coloane (interior, 4 etaje)

Zona afluent: 7,5 m × 6,0 m=45 m²

Sarcina axială pe etaj: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

P total ≈ 4 × 232 =928 kN

Adăugați 20% pentru efecte seismice axiale →P_u ≈ 1.115 kN

Lungime efectivă (KL ≈ 0,8 × 3700=2,960 mm)

Proces:W250×73(A=9,290 mm², r=119 mm → KL/r ≈ 25 → φPₙ ≈ 0,9×345×9290 ≈2.880 kN >>1.115 kN → OK)

Utilizați W250×67 sau HSS203×203×9,5 pentru economie

6.4 Elemente de contravântuire (SCBF)

Presupuneți contravântuiri la 2 trave pe direcție

Forfecare seismică pe pas ≈ 7.200 / (număr de cadre contravântuite)

Să presupunem 4 cadre contravântuite în fiecare direcție → ~900 kN per cadru

Forța diagonală: (F=V / sinθ); θ=45 grad → F ≈ 900 / 0,707 ≈1.270 kN

Necesar A_g Mai mare sau egal cu 1.270.000 / (0,9×345) ≈4.090 mm²

Proces: HSS152×152×9,5(A=5,200 mm², OK pentru tensiune/compresie cu verificarea zvelteței)

 

 

Punte de metal: Conform® 2.0 sau Bondek®(adâncimea profilului=60 mm)

Placă de beton: 125 mm grosime, f'c=25 MPa

Știfturi de forfecare: 19 mm diametru × 100 mm înălțime, distanțat la300 mm ocde-a lungul grinzilor

Acțiune compozită: Interacțiunea completă presupusă conform AISC 360 Capitolul I

 

 

Raportul de sol este obligatoriu– presupuneți o capacitate portantă moderată (150 kPa)

Reacții în coloană: Max ~1.200 kN → dimensiunea picioarelor ≈ √(1.200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 mpicior izolat

Ancorare seismică: Tije de ancorare concepute pentru ridicare și forfecare conform ACI 318

 

 

Transmite-la-coloană: Plăci de capăt cu șuruburi sau conexiuni de moment sudate (dacă se utilizează SMF)

Pregătiți-la-Gusset: Metoda secțiunii Whitmore conform prevederilor seismice AISC

Suport de punte: Lagăr simplu pe flanșa superioară a grinzii

 

 

Articol	Caietul de sarcini
LFRS	Cadre speciale cu contravântuiri concentrice (SCBF)
Grinzi gravitaționale	L410×60 (interior), L460×74 (margine)
Coloane	W250×67 sau HSS203×203×9,5
Bretele	HSS152×152×9,5
Pardoseala	tablă metalic compozit de 60 mm adâncime + 125 mm beton
Forfecarea bazei seismice	~7.200 kN (respectează proiectarea)
Presiunea vântului	~0,33 kN/m² (ne-guvernant)
Panta acoperișului	2% o singură pantă, susținută de căpriori înclinați

 

 

Angajați inginer geotehnic local pentru raportarea solului.

Coordonați-vă cu arhitectul pentru a localiza cadrele contravântuite fără a obstrucționa parcarea sau camerele.

Utilizați un sistem de vopsea -rezistent la coroziune (mediu C4 conform ISO 12944 – PNG de coastă).

Asigurați articulații de mișcare dacă aripile de est/vest sunt compensate semnificativ.

Efectuați o analiză structurală 3D detaliată folosind software (de exemplu, ETABS, SAP2000), inclusiv efectele P-Δ.

 

 

 

Această estimare a tonajului de oțel acoperă elementele structurale primare și secundare din oțel necesare pentru sistemele de rezistență la gravitație și la sarcină laterală-ale hotelului cu 4 etaje, inclusiv:

Coloane (de la fundație la acoperiș)

Grinzi pentru podea și acoperiș (design compozit)

Elemente de contravântuire (cadre speciale cu contravântuiri concentrice – SCBF)

Structura acoperișului (capriori și pane înclinate)

Conexiuni (estimate ca 5% din greutatea membrului principal)

Exclus:

Tablă metalică (considerată placare ne-structurală/suport de plăci)

Tije de ancorare, plăci de bază (incluse în alocația de conectare)

Scari, balustrade, diverse otel

 

 

Planul clădirii este format din două blocuri conectate:

Blocul de Est: 55.6 m × 27 m

Blocul de Vest: 25 m × 41.7 m
→ Amprenta totală ≈2,544 m²

Grilă de coloane tipică:7,5 m (longitudinal) × 6,0 m (transvers)

Numar de coloane:

Bloc de est: (55,6/7,5 ≈ 8 trave → 9 linii) × (27/6 ≈ 4,5 → 5 linii) =45 de coloane

Bloc de vest: (25/7,5 ≈ 3,3 → 4 linii) × (41,7/6 ≈ 7 → 8 linii) =32 de coloane

Deduceți suprapunerea la joncțiune (~5 coloane comune) →Total coloane ≈ 72

Etaje: 4 nivele (inclusiv acoperiș)

Cadre contravântuite: 2 pe direcție per bloc →8 traguri contravantuite in total

Panta acoperișului: 2%, susținută de grinzi înclinate; fara grinzi

 

 

Având în vedere natura proiectului de locuință rezidențială publică, am decis să consolidăm întregul sistem structural pentru a crea o clădire robustă, cu o durată de viață de peste 100 de ani. Pentru a realiza acest lucru, am înlocuit stâlpii convenționali cu stâlpi din oțel cu secțiune-casată și i-am umplut-pe șantier cu beton, sporind semnificativ rezistența structurală generală.

 

 

Secțiune:Tip cutie 400X400x12x12mm(masa=146.2 kg/m)

Înălțimea pe coloană:

Nivelul 1: 3,8 m

Nivelurile 2–3: 3,7 m fiecare

Nivelul 4: 3,4 m
→ Înălțimea totală =14.6 m

Lungimea totală a coloanei=72 × 14.6 =1,051 m

Greutatea coloanei=1,051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 tone

Notă: coloanele de la parter pot fi mai grele; aceasta este o medie.

 

 

Grinzi interioare: WH500X290X10X16mm (masa=109.6 kg/m)

Anvergura: 7,5 m

Număr pe etaj:

Bloc de est: 5 linii transversale × 8 trave longitudinale=40

Bloc de vest: 8 linii transversale × 3 trave longitudinale=24
→ 64 grinzi interioare pe etaj

Total pentru 3 etaje + structura acoperișului=4 × 64 =256 grinzi

Lungime=256 × 7.5 =1,920 m

Greutate=1,920 × 109.6=210.432 kg

Grinzi de margine/perimetru: WH600X200X12X12mm (masa=92 kg/m)

Lungimea perimetrului pe etaj ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – suprapunere ≈290 m/etaj

Presupuneți grinzi de margine la fiecare 6 m → ~48 de grinzi de margine pe etaj

Total=4 × 48 =192 grinzi, medie întindere=6.0 m

Lungime=192 × 6 =1,152 m

Greutate=1,152 × 92=105.984 kg

Greutatea totală a fasciculului = 210,432 + 105,984 = 316.416 kg ≈ 316,4 tone

 

 

Secțiune:HSS152×152×9,5(masa=42.5 kg/m)

Locuri de contravântuire: 8 în total (4 în E-V, 4 în N-S)

Fiecare compartiment are 2 diagonale pe etaj → 4 etaje × 2 =8 diagonale pe linie de cadru contravântuit

Total diagonale=8 cadre × 8 =64 de bretele

Mediu lungime diagonală (pentru golf de 7,5 m × 3,7 m la 45 de grade):
( L=\\sqrt{7,5^{2 + 3.7^2} ≈ 8,4 m )

Lungimea totală a bretelei=64 × 8.4 =538 m

Greutatea bretei=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 tone

 

 

Căpriorii principale ale acoperișului urmează un profil cu o singură-pantă; utilizareW310×45(45 kg/m)

Distanță: 3,0 m oc (pentru a susține pane)

Suprafața totală a acoperișului=2,544 m² → lungimea căpriorului ≈ lățimea clădirii (max. 41,7 m)

Număr de căpriori ≈ 80 m / 3,0 ≈27 de linii

Mediu lungimea căpriorului=35 m (media ponderată a lățimilor est/vest)

Lungimea totală a căpriorului=27 × 35 =945 m

Greutatea căpriorului=945 × 45 =42.525 kg

Pane: C200×20×2,5 (5,5 kg/m), distanțat 1,5 m oc

Lungimea totală a panei ≈ (2.544 m² / 1,5 m distanță) × 1,0 m =1,696 m

Greutate=1, 696 × 5.5 =9.328 kg

Oțel total pentru acoperiș = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 tone

 

 

Practica standard:5%din greutatea totală a membrului principal

Total membri principali=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 tone

Conexiuni=0.05 × 533,900 =27.245 kg ≈ 27,3 tone

 

 

Componentă	Greutate (tone)
Coloane	153.7
Grinzi pentru podea și margine	316.4
Contravântuire (SCBF)	22.9
Încadrare acoperiș (capriori + pane)	51.9
Conexiuni (5%)	27.3
Total estimat de oțel structural	572,2 tone

 

 

Suprafața totală =2,544 m²

Oțel per unitate de suprafață=572.2 t / 2.544 m² =225 kg/m²

Acest lucru este rezonabil pentru o clădire din oțel rezistentă la seismic-4-etaje, cu cadre contravântuite într-o regiune cu grad ridicat de seism.

 

 

Potenţial de optimizare: Utilizarea golfurilor mai mari sau contravântuiri reduse ar putea reduce tonaj, dar cerințele seismice în PNG limitează reducerile.

Fabricație locală: luați în considerare disponibilitatea secțiunilor standard în PNG sau Australia (se presupun secțiuni comune precum formele W-și HSS).

Protecție împotriva coroziunii: Toate oțelul vor primi galvanizare la cald-sau sistem de vopsea duplex din cauza mediului tropical de coastă.

Contingenta: Adăugați5–10%pentru dezvoltarea designului, modificări arhitecturale sau ineficiențe de detaliere →Estimarea bugetului final: ~615–700 tone. Dacă adăugați o scară și o structură pentru ascensoare, în general va fi în jur650~750 tonein finala.

Întocmit de: Hangzhou Xixi Building Co., LTD.
Data: 16 ianuarie 2026
Baza: AISC 360-16, aspect preliminar, ipoteze seismice ASCE 7-16