8-kerroksisen monikäyttöisen elementtirakennuksen rakennesuunnittelu ja analyysi filippiiniläiselle asiakkaalle

8-kerroksisen monitoimirakennuksen rakennesuunnittelu ja analyysi Filippiinien asiakkaalle

 

 

Tämä projekti on 8-kerroksinen monitoimirakennus, joka sijaitsee Manilassa, Filippiineillä ja jonka kokonaismitat ovat 20m × 20m. Jokaisen kerroksen korkeus on suunniteltu seuraavasti: 1. kerros (parkkipaikka) plus mezzanine yhteensä 6 m; 2. kerros (varasto) on 6m korkea; 3. ja 4. kerros (toimistotilat) ovat 4,5 metrin ja 3,4 metrin päässä; 5.-7. kerrokset (asuinalueet) ovat kukin 3,4 metriä korkea; 8. kerros (katto julkinen tila) plus katon korkeus on 2,8m. Tilan optimointia varten vain 3 riviä rakennepylväitä järjestetään: A-akselilla on yhteensä 4 saraketta, akselin A ja akselin B välinen etäisyys on 13,2 m ja akselin B ja akselin C välinen etäisyys on 6,8 m. Akselin A neljän sarakkeen välinen etäisyys on 5,9 m (1-2 akseli), 8,2 m (2-3 akseli) ja 5,9 m (3-4 akseli).

 

 

 

Filippiinien kansallinen rakennesäännöstö (NSCP) 2015: Säätelee yleistä rakennesuunnittelua, kuormituslaskentaa, materiaalien suorituskykyä ja turvallisuusvaatimuksia.

Filippiinien rakennussäännöstö (PBC) 2004: Säätelee rakennusten käyttöä, paloturvallisuutta ja rakenteiden kestävyyttä, mikä vastaa monitoimirakennuksia (pysäköinti, varasto, toimisto, asuin, julkinen tila).

Seismiset suunnittelukriteerit: Manila sijaitsee kohtalaisella seismisellä vyöhykkeellä, jonka huippumaakiihtyvyys (PGA) on 0,15 g; rakennesuunnittelussa käytetään seismisen intensiteetin 7 (0,15 g) anti-seismistä tarkistusta.

Tuulikuormituskriteerit: Perustuulen nopeus Manilassa on 45 m/s (luokka 3); tuulikuormituslaskenta noudattaa NSCP 2015 lukua 28 ottaen huomioon tuulenpainejakauman ja rakenteellisen tuulenvastuskertoimen.

 

 

Kuollut kuorma (DL): NSCP 2015 mukaan yhdistettynä rakennustoimintoon: katto (2,5 kN/m²), asuinkerros (2,0 kN/m²), toimistokerros (2,5 kN/m²), varastokerros (5,0 kN/m²), parkkipaikka (4,0 kN/m²), parvi (3,0 kN/m²); Teräsrakenneosien oma-paino lasketaan todellisen profiilikoon perusteella.

Live Load (LL): Asuinalue (2,5 kN/m²), toimistoalue (3,0 kN/m²), varasto (10,0 kN/m²), parkkipaikka (2,5 kN/m² per ajoneuvo, plus 1,0 kN/m² jalankulkijoille), katto julkinen tila (2,0 kN/m²).

Seisminen kuormitus (EL): Laskettu vastespektrimenetelmällä, ottaen huomioon rakenteellinen massajakauma, jäykkyysominaisuudet ja vaimennussuhde (0,05 teräsrakenteille).

Tuulikuorma (WL): Laskettu tuulenpaineena (w=0.613 × V², V=45 m/s) ja jaettu jokaiseen kerrokseen korkeuden ja rakenteen muodon mukaan; tuulen-aiheuttama tärinä tarkistetaan korkean-korkeusosien (5-8 kerrosta) varalta.

Muut kuormat: Lumikuormaa ei oteta huomioon (Manila on trooppinen alue); maanjäristyksen-aiheuttamat toissijaiset kuormat (kuten P-Δ-vaikutus) ja lämpötilarasitukset ovat mukana suunnittelutarkistuksessa.

 

 

Ottaen huomioon rakennuksen toiminnot, tilavaatimukset ja paikalliset vaatimukset, otetaan käyttöön teräsrunkorakenne, jonka etuna on kevyt paino, korkea lujuus, hyvä sitkeys ja nopea rakenne. Erityinen rakennejärjestely on seuraava:

Pylväät: teräksisiä H-palkkeja käytetään; pilarin osat määräytyvät kunkin kerroksen-kantokyvyn mukaan. 1.-2. kerrokset (pysäköinti + varasto) ovat koot 600 × 250 × 8 × 12 mm suuren kuorman vuoksi; 3.-4. kerrokset (toimisto) ovat koot 500×200×7×10 mm; 5.-8. kerrokset (asunto + katto) ovat koot 400×200×6×8 mm.

Palkit: Teräksisiä H{0}}palkkeja käytetään lattia- ja kattopalkeissa. Akselien A ja B välissä olevat palkit (jänneväli 13,2 m) ovat kokoja 500 × 200 × 7 × 10 mm (1.–2. kerros) ja H450 × 180 × 6 × 9 mm (3.–8. kerrokset); akselien B ja C väliset palkit (jänneväli 6,8 m) ovat kokoja 400 × 180 × 6 × 8 mm (kaikki lattiat); parvipalkkien koko on 300 × 150 × 6 × 8 mm.

Lattialaatta: Komposiittilattialaatta (teräskansi + betoni) on otettu käyttöön, betonin paksuus 120 mm (asuin/toimisto), 150 mm (varasto/pysäköinti) ja 100 mm (mezzanine/katto); teräskansimalli on B-120, jonka paksuus on 1,2 mm.

Lateral Resistance System: Teräsrunko itsessään tarjoaa sivuttaisjäykkyyttä; Lisäksi rakennuksen kulmiin (akselit A-1, A-4, C-1, C-4) on järjestetty vinotuet, jotka parantavat sivuttaisvastusta tuulta ja seismisiä kuormia vastaan.

 

 

Teräksen kulutus sisältää kaikki tärkeimmät rakenneosat: pilarit, palkit, lattiateräskannet, diagonaalikannattimet ja liitososat (pultit, hitsausmateriaalit jne.). Liitoskomponenteille (pultit, hitsaus jne.) lisätään 10 %:n lisäys pääosien painon perusteella, mikä on tavanomaisen teräsrakenneprojektien laskentastandardin mukainen.

 

 

Rakennekomponentti	Erittely	Määrä	Yksikköpaino (kg/m)	Kokonaispituus (m)	Kokonaispaino (kg)
Sarakkeet (1.-2. kerros)	H600×250×8×12	12 (3 riviä × 4 saraketta)	118.5	144 (12 pylvästä × 12 m kokonaiskorkeus 1.-2. kerroksessa)	17064
Sarakkeet (3.-4. kerros)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 pylvästä × 7,5 m kokonaiskorkeus 3.-4. kerroksissa)	7587
Sarakkeet (5.-8. kerros)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 pylvästä × 11,2 m kokonaiskorkeus 5.-8. kerroksissa)	8346.24
Palkit (A-B-akseli, 1.-2. kerros)	H500×200×7×10	24 (4 jänneväliä × 6 kerrosta, 1.-2. kerros)	84.3	316,8 (24 palkkia × 13,2 m jänneväli)	26706.24
Palkit (A-B-akseli, 3.-8. kerrokset)	H450×180×6×9	48 (4 jänneväliä × 12 kerrosta, kerrokset 3-8)	70.2	633,6 (48 palkkia × 13,2 m jänneväli)	44478.72
Palkit (B-C-akseli, kaikki lattiat)	H400×180×6×8	72 (4 jänneväliä × 18 kerrosta, kaikki 8 kerrosta)	58.5	489,6 (72 palkkia × 6,8 m jänneväli)	28641.6
Mezzanine palkit	H300×150×6×8	12 (4 jänneväliä × 3 riviä)	40.2	120 (12 palkkia × 10m keskimääräinen jänneväli)	4824
Diagonaaliset olkaimet	H200×150×6×8	32 (4 kulmaa × 8 kerrosta)	30.1	179,2 (32 olkaimet × 5,6 m keskipituus)	5393.92
Lattiateräskansi	B-120 (1,2 mm)	1 setti (kaikki kerrokset)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 kerrosta, ei kattoa)	34560
Kattoteräskansi	B-120 (1,2 mm)	1 setti	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Pääjäsenet yhteensä	-	-	-	-	182407.72
Yhteyskorvaus (10 %)	-	-	-	-	18240.77
Teräksen kokonaiskulutus	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tonnia)

 

Teräksen kokonaiskulutus: Noin 200,65 tonnia (mukaan lukien 10 % liitäntävarat).

Teräksen yksikkökulutus: 200,65 tonnia / (20m×20m×8 kerrosta)=62.7 kg/m² (laskettu 3200 m²:n kokonaislattiapinta-alalla).

Teräksen yksikkökulutus on teräsrunkoisten monitoimirakennusten kohtuullisessa rajoissa (60-80 kg/m²), mikä on yhdenmukainen Manilan vastaavien projektien suunnittelustandardien kanssa.

 

 

Seuraavassa analyysissä arvioidaan nykyisen rakennesuunnittelun soveltuvuutta (Manilan paikallisiin koodeihin perustuen) CBC:n päämarkkinoilla, kuten Tongassa, Uudessa-Kaledoniassa, Papua-Uudessa-Guineassa, Chilessä ja Perussa, keskittyen eroihin paikallisissa seismisessä, tuulikuormituksessa ja rakennusmääräyksissä.

 

 

Seismiset olosuhteet: Tonga sijaitsee korkealla seismisellä vyöhykkeellä (Pacific Ring of Fire), jonka PGA on 0,30–0,40 g, mikä on paljon korkeampi kuin Manilan 0,15 g.

Tuulikuorma: Perustuulen nopeus on 55-60 m/s (sykloninen alue), huomattavasti suurempi kuin Manilan 45 m/s.

Koodivaatimukset: Täyttää Tonga Building Coden (TBC) 2018, jossa on tiukemmat vaatimukset sivuttaiskestävyydestä ja rakenteellisesta sitkeydestä.

Käytettävyyspäätös: Ei suositella. Nykyinen rakenteellinen jäykkyys ja seisminen kestävyys eivät riitä kestämään Tongan korkeita seismis- ja tuulikuormituksia; pylväs-palkkiosia ja sivuttaisjäykistysjärjestelmää on vahvistettava merkittävästi, ja teräksen kulutus kasvaa 30–40 %.

 

 

Seismiset olosuhteet: Kohtalainen seisminen vyöhyke, jonka PGA on 0,20 g, hieman korkeampi kuin Manilan 0,15 g.

Tuulikuorma: Perustuulen nopeus on 50 m/s (trooppinen sykloni-altis alue), korkeampi kuin Manilan 45 m/s.

Koodivaatimukset: noudattaa Ranskan merentakaisten alueiden rakennusmääräystä (RTC) 2020, joka on samanlainen kuin eurooppalaiset standardit ja jossa on tiukat vaatimukset rakenteelliselle kestävyydelle ja tuulenkestävyydelle.

Käytettävyyspäätös: Vaatii muutoksen. Nykyistä rakennetta voidaan mukauttaa osittaisten säätöjen jälkeen: vahvista sivuttaisjäykistysjärjestelmää, lisää pylväs-palkin laippojen paksuutta 2-3 mm ja säädä seismisen laskentaparametreja; teräksen kulutus kasvaa 15-20 %.

 

Seismiset olosuhteet: Korkea seisminen vyöhyke, jonka PGA on 0,25-0,35 g, korkeampi kuin Manilan 0,15 g; seisminen aktiivisuus on yleistä ja voimakasta.

Tuulikuorma: Perustuulen nopeus on 48-52 m/s, hieman suurempi kuin Manilan 45 m/s.

Koodivaatimukset: Hyväksyy Papua New Guinean National Building Code (PNG NBC) 2015, jossa korostetaan seismistä kestävyyttä ja rakenteellista sitkeyttä korkeassa -kerrostalossa.

Käytettävyyspäätös: Vaatii muutoksen. Tärkeimpiä säätöjä ovat: pilarin -palkin osan koon kasvattaminen (erityisesti 1.–2. kerros), sivutukien lisääminen ja seismisen energian hajautusjärjestelmän optimointi; teräksen kulutus kasvaa 25-30 %.

 

 

Seismiset olosuhteet: Yksi maailman korkeimmista seismisistä vyöhykkeistä, jonka PGA on 0,40-0,50 g, ylittää huomattavasti Manilan 0,15 g; suuria maanjäristyksiä tapahtuu usein.

Tuulikuorma: Perustuulen nopeus on 40-45 m/s, kuten Manilassa 45 m/s.

Koodivaatimukset: Noudattaa Chilen rakennusmääräyksiä (NCh 433 Of. 2017), jolla on maailman tiukimmat seismiset suunnittelustandardit, jotka edellyttävät suurta rakenteellista sitkeyttä ja energianpoistokykyä.

Käytettävyyspäätös: Ei suositella. Nykyinen rakennejärjestelmä ei voi täyttää Chilen äärimmäisen-korkea seismiset vaatimukset; uusi seismisen-kestävä järjestelmä (kuten teräsrunkoinen-kiinnike-energianpoistojärjestelmä) on suunniteltava uudelleen, ja teräksen kulutus kasvaa 50 % tai enemmän.

 

 

Seismiset olosuhteet: Korkea seisminen vyöhyke, jonka PGA on 0,25-0,30 g, korkeampi kuin Manilan 0,15 g; seisminen intensiteetti vaihtelee alueittain (rannikkoalueet ovat ankarampia).

Tuulikuorma: Perustuulen nopeus on 42-48 m/s, hieman pienempi tai vastaava kuin Manilan 45 m/s.

Koodivaatimukset: Hyväksyy Perun rakennussäännöstön (E070) 2017, jossa on tiukat vaatimukset korkeiden rakennusten seismiselle suunnittelulle ja rakenteelliselle vakaudelle.

Käytettävyyspäätös: Vaatii muutoksen. Tärkeimmät säädöt ovat: pilarin -palkkiliitosten vahvistaminen, rakenteen sivuttaisjäykkyyden lisääminen ja seismisen kuormituksen laskennan optimointi; teräksen kulutus kasvaa 20-25 %.

 

 

Alue	Seisminen PGA (g)	Tuulen perusnopeus (m/s)	Sovellettavuus Tuomio	Tärkeimmät muutokset vaaditaan
Manila (Filippiinit)	0.15	45	Täysin sovellettavissa	Ei mitään
Tonga	0.30-0.40	55-60	Ei suositella	Kattava rakennejärjestelmän uudelleensuunnittelu, merkittävä lisäys osien kokoon ja sivuttaisjäykistykseen
Uusi-Kaledonia	0.20	50	Vaatii muokkauksen	Vahvista sivuttaisjäykistystä, lisää laipan paksuutta, säädä seismiset parametrit
Papua-Uusi-Guinea	0.25-0.35	48-52	Vaatii muokkauksen	Kasvata sarakkeen-palkin osan kokoa, lisää sivuttaistuki, optimoi energian hajautusjärjestelmä
Chile	0.40-0.50	40-45	Ei suositella	Suunnittele uudelleen seismisen{0}}kestävä järjestelmä, lisää energian hajottimia, lisää huomattavasti rakenteellista jäykkyyttä
Peru	0.25-0.30	42-48	Vaatii muokkauksen	Vahvista pylväs{0}}palkkiliitoksia, lisää sivuttaisjäykkyyttä, optimoi seismiset laskelmat

 

Manilan paikallisten sääntöjen noudattamisen ja rakenteellisen turvallisuuden varmistamisen edellytyksenä on, että seuraavat optimointitoimenpiteet voidaan toteuttaa teräksen kulutuksen vähentämiseksi, rakenteiden tehokkuuden parantamiseksi ja projektikustannusten vähentämiseksi vaikuttamatta rakennuksen toimintaan ja tilatarpeisiin.

 

 

Pilarit: 5.-8. kerroksessa (asuinalue, pieni kuorma) pylväsosa voidaan optimoida koolla H400×200×6×8 mm kokoon 350×180×6×8 mm. Jännityssuhteen tarkistus osoittaa, että optimoitu osa voi silti täyttää kantavuusvaatimukset, mikä vähentää näiden pilarien teräksen kulutusta noin 8 %.

Palkit: Akselien B ja C välisissä palkeissa (jänneväli 6,8 m, pieni kuorma) poikkileikkaus voidaan optimoida H400×180×6×8 mm:stä H350×180×6×8 mm:iin, mikä vähentää näiden palkkien teräksen kulutusta noin 6 %.

 

 

Nykyiset diagonaaliset kannattimet on järjestetty kaikkiin 8 kerrokseen; ne voidaan optimoida järjestettäviksi väliajoin (2 kerroksen välein) 5.-8. kerroksiin (asuinalue, pieni sivukuorma). Tämä säätö voi vähentää tukien määrää 50 % ylemmissä kerroksissa ja varmistaa samalla, että sivuttaisjäykkyys täyttää vaatimukset, mikä vähentää teräksen kulutusta noin 5 % jäykistysjärjestelmässä.

 

 

Nykyinen malli käyttää terästä Q235B ja Q355B; se voidaan korvata kaikilla Q355B-teräksillä tai pääpilareissa ja palkkeissa -lujalla teräksellä (1.-4. kerros, suuri kuorma). joten osan kokoa voidaan pienentää sopivasti samalla kun säilytetään sama kantavuus. Tämä optimointi voi vähentää teräksen kulutusta noin 10-12 % pääosien osalta.

 

 

5.-7. kerroksessa (asuinalue) komposiittilattialaatan betonin paksuutta voidaan pienentää 120 mm:stä 100 mm:iin ja teräskannen paksuus voidaan pitää 1,2 mm:ssä. Tämä säätö voi vähentää lattian kuollutta kuormaa, mikä vähentää pylväiden ja palkkien kantovaatimuksia ja vähentää välillisesti teräksen kulutusta noin 3-4 %.

 

 

Kattavan optimoinnin jälkeen teräksen kokonaiskulutusta voidaan vähentää 15-20 % alkuperäisestä 200,65 tonnista 160,52-170,55 tonniin. Yksikköteräksen kulutus laskee 50,16-53,30 kg/m², mikä on edelleen kohtuullisen rajoissa ja voi tehokkaasti vähentää projektin kustannuksia varmistaen samalla rakenteellisen turvallisuuden ja täyttää paikalliset vaatimukset.

 

8-kerroksisen monitoimirakennuksen rakennesuunnittelu täyttää Manilan paikallisten määräysten (NSCP 2015, PBC 2004) ja kuormitusvaatimukset. Teräksen kokonaiskulutus on noin 200,65 tonnia ja teräksen yksikkökulutus 62,7 kg/m². Muilla alueilla: se on täysin sovellettavissa Manilassa; vaatii muutoksia Uudessa-Kaledoniassa, Papua-Uudessa-Guineassa ja Perussa (vastaavasti teräksen kulutus kasvaa); eikä sitä suositella Tongassa ja Chilessä (erittäin korkeiden seismisen/tuulikuormitusvaatimusten vuoksi). Poikkileikkauksen optimoinnin, materiaalien vaihdon ja järjestelmäsäädön avulla teräksen kulutusta voidaan vähentää 15-20 % vaikuttamatta rakenteelliseen turvallisuuteen, mistä on merkittäviä taloudellisia etuja.