Structureel ontwerp en analyse van een multifunctioneel prefabgebouw van 8 verdiepingen voor een Filippijnse klant

Structureel ontwerp en analyse van multifunctioneel gebouw met 8 verdiepingen voor Filippijnse klant

 

 

Dit project is een multifunctioneel gebouw van 8 verdiepingen in Manilla, Filippijnen, met een totale afmeting van 20 x 20 meter. De hoogte van elke verdieping is als volgt ontworpen: de 1e verdieping (parkeerplaats) plus mezzanine bedraagt ​​in totaal 6m; de 2e verdieping (magazijn) is 6m hoog; de 3e en 4e verdieping (kantoorruimtes) zijn respectievelijk 4,5 m en 3,4 m groot; de 5e t/m 7e verdieping (woonruimtes) zijn elk 3,4 meter hoog; de 8e verdieping (dak openbare ruimte) plus dakhoogte is 2,8m. Voor ruimteoptimalisatie zijn slechts 3 rijen structurele kolommen gerangschikt: As A heeft in totaal 4 kolommen, de afstand tussen As A en As B is 13,2 meter en de afstand tussen As B en As C is 6,8 meter. De afstand tussen de 4 kolommen op as A is respectievelijk 5,9 m (1-2-as), 8,2 m (2-3-as) en 5,9 m (3-4-as).

 

 

 

National Structural Code of the Philippines (NSCP) 2015: Regelt het algehele structurele ontwerp, de belastingberekening, de materiaalprestaties en de veiligheidseisen.

Philippine Building Code (PBC) 2004: reguleert het gebruik van gebouwen, de brandveiligheid en de structurele duurzaamheid die overeenkomt met multifunctionele gebouwen (parkeerplaats, magazijn, kantoor, woning, openbare ruimte).

Seismische ontwerpcriteria: Manilla ligt in een gematigde seismische zone met een Peak Ground Acceleration (PGA) van 0,15 g; het structurele ontwerp gebruikt seismische intensiteit 7 (0,15 g) voor anti-seismische controle.

Criteria voor windbelasting: De basiswindsnelheid in Manilla is 45 m/s (categorie 3); De berekening van de windbelasting volgt NSCP 2015 hoofdstuk 28, waarbij rekening wordt gehouden met de verdeling van de winddruk en de structurele windweerstandscoëfficiënt.

 

 

Eigen belasting (DL): Volgens NSCP 2015, gecombineerd met de gebouwfunctie: dak (2,5 kN/m²), woonverdieping (2,0 kN/m²), kantoorverdieping (2,5 kN/m²), magazijnvloer (5,0 kN/m²), parkeerplaats (4,0 kN/m²), mezzanine (3,0 kN/m²); het eigen-gewicht van stalen constructie-elementen wordt berekend op basis van de werkelijke sectiegrootte.

Live Load (LL): Woonwijk (2,5 kN/m²), kantoorruimte (3,0 kN/m²), magazijn (10,0 kN/m²), parkeerplaats (2,5 kN/m² per voertuig, plus 1,0 kN/m² voor voetgangers), openbare dakruimte (2,0 kN/m²).

Seismische belasting (EL): berekend met behulp van de responsspectrummethode, rekening houdend met de structurele massaverdeling, stijfheidskarakteristieken en dempingsverhouding (0,05 voor staalconstructies).

Windbelasting (WL): berekend als winddruk (w=0.613 × V², V=45 m/s) en verdeeld over elke verdieping op basis van de hoogte en structurele vorm; wind-geïnduceerde trillingen worden gecontroleerd voor hoge- delen (5-8 verdiepingen).

Andere belastingen: er wordt geen rekening gehouden met sneeuwbelasting (Manilla is een tropische regio); Door aardbevingen-geïnduceerde secundaire belastingen (zoals het P-Δ-effect) en temperatuurstress worden meegenomen in de ontwerpcontrole.

 

 

Rekening houdend met de bouwfunctie, de ruimtevereisten en de lokale codevereisten, wordt een stalen frameconstructie toegepast, die de voordelen heeft van een laag gewicht, hoge sterkte, goede ductiliteit en snelle constructie. De specifieke structurele regeling is als volgt:

Kolommen: er worden stalen H-balken gebruikt; de kolomsecties worden bepaald op basis van het draagvermogen- van elke verdieping. De 1e-2e verdieping (parkeerplaats + magazijn) hanteert H600×250×8×12 mm vanwege de grote belasting; de 3e tot en met 4e verdieping (kantoor) nemen H500×200×7×10 mm aan; de 5e tot en met 8e verdieping (residentieel + dak) nemen H400×200×6×8 mm aan.

Balken: Stalen H-balken worden gebruikt voor vloerbalken en dakbalken. De balken tussen as A en as B (overspanning van 13,2 m) hebben een afmeting van H500×200×7×10 mm (1e-2e verdieping) en H450×180×6×9 mm (3e-8e verdieping); de balken tussen as B en as C (overspanning van 6,8 m) hebben een afmeting van H400×180×6×8 mm (alle verdiepingen); de mezzaninebalken nemen H300×150×6×8 mm aan.

Vloerplaat: Er wordt gebruik gemaakt van een composiet vloerplaat (staaldek + beton), met een betondikte van 120 mm (residentieel/kantoor), 150 mm (magazijn/parkeren) en 100 mm (tussenverdieping/dak); het stalen dekmodel is B-120, met een dikte van 1,2 mm.

Lateraal weerstandssysteem: het stalen frame zelf zorgt voor laterale stijfheid; bovendien zijn op de hoeken van het gebouw diagonale schoren aangebracht (as A-1, A-4, C-1, C-4) om de zijdelingse weerstand tegen wind- en seismische belastingen te vergroten.

 

 

Het staalverbruik omvat alle belangrijke structurele onderdelen: kolommen, balken, stalen vloerdekken, diagonale schoren en verbindingscomponenten (bouten, lasmaterialen, enz.). Voor verbindingscomponenten (bouten, lassen, etc.) wordt een toeslag van 10% toegevoegd op basis van het gewicht van de hoofdliggers, wat in lijn is met de conventionele rekennorm van staalconstructieprojecten.

 

 

Structurele component	Specificatie	Hoeveelheid	Eenheidsgewicht (kg/m)	Totale lengte (m)	Totaal gewicht (kg)
Kolommen (1e-2e verdieping)	H600×250×8×12	12 (3 rijen × 4 kolommen)	118.5	144 (12 kolommen x 12 m totale hoogte voor 1e-2e verdieping)	17064
Kolommen (3e-4e verdieping)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 kolommen × 7,5 m totale hoogte voor 3e-4e verdieping)	7587
Kolommen (5e-8e verdieping)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 kolommen x 11,2 m totale hoogte voor 5e tot 8e verdieping)	8346.24
Balken (A-B-as, 1e-2e verdieping)	H500×200×7×10	24 (4 overspanningen × 6 verdiepingen, 1e-2e verdieping)	84.3	316,8 (24 balken x 13,2 m overspanning)	26706.24
Balken (A-B-as, 3e-8e verdieping)	H450×180×6×9	48 (4 overspanningen × 12 verdiepingen, 3e-8e verdieping)	70.2	633,6 (48 balken x 13,2 m overspanning)	44478.72
Balken (B-C-as, alle verdiepingen)	H400×180×6×8	72 (4 overspanningen × 18 verdiepingen, alle 8 verdiepingen)	58.5	489,6 (72 balken x 6,8 m overspanning)	28641.6
Tussenverdieping balken	H300×150×6×8	12 (4 overspanningen × 3 rijen)	40.2	120 (12 balken x 10 m gemiddelde overspanning)	4824
Diagonale beugels	H200×150×6×8	32 (4 hoeken × 8 verdiepingen)	30.1	179,2 (32 beugels x 5,6 m gemiddelde lengte)	5393.92
Vloer stalen dek	B-120 (1,2 mm)	1 set (alle verdiepingen)	12kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 verdiepingen, exclusief dak)	34560
Dak stalen dek	B-120 (1,2 mm)	1 set	12kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Belangrijkste leden Totaal	-	-	-	-	182407.72
Aansluitvergoeding (10%)	-	-	-	-	18240.77
Totaal staalverbruik	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 ton)

 

Totaal staalverbruik: ongeveer 200,65 ton (inclusief 10% aansluitvergoeding).

Eenheidsstaalverbruik: 200,65 ton / (20m×20m×8 verdiepingen)=62.7 kg/m² (berekend op basis van de totale vloeroppervlakte van 3200 m²).

Het staalverbruik per eenheid ligt binnen het redelijke bereik (60-80 kg/m²) voor multifunctionele gebouwen met een stalen frame, wat consistent is met de ontwerpnormen van soortgelijke projecten in Manilla.

 

 

De volgende analyse evalueert de toepasbaarheid van het huidige structurele ontwerp (gebaseerd op de lokale codes van Manila) in de belangrijkste markten van CBC, zoals Tonga, Nieuw-Caledonië, Papoea-Nieuw-Guinea, Chili en Peru, waarbij de nadruk ligt op verschillen in lokale seismische, windbelasting- en bouwvoorschriften.

 

 

Seismische omstandigheden: Tonga ligt in een hoge seismische zone (Pacific Ring of Fire) met een PGA van 0,30-0,40 g, wat veel hoger is dan de 0,15 g van Manila.

Windbelasting: De basiswindsnelheid is 55-60 m/s (cycloongebied), aanzienlijk hoger dan de 45 m/s in Manilla.

Codevereisten: Voldoet aan de Tonga Building Code (TBC) 2018, die strengere eisen stelt aan zijdelingse weerstand en structurele ductiliteit.

Toepasselijkheidsoordeel: niet aanbevolen. De huidige structurele stijfheid en seismische weerstand zijn onvoldoende om de hoge seismische en windbelastingen van Tonga te weerstaan; de kolom-balksecties en het zijdelingse verstevigingssysteem moeten aanzienlijk worden versterkt, en het staalverbruik zal met 30-40% toenemen.

 

 

Seismische omstandigheden: Matige seismische zone met een PGA van 0,20 g, iets hoger dan de 0,15 g van Manila.

Windbelasting: De basiswindsnelheid is 50 m/s (gebied met tropische cyclonen-), hoger dan de 45 m/s in Manilla.

Codevereisten: Volgt de bouwcode van de Franse overzeese gebiedsdelen (RTC) 2020, die vergelijkbaar is met de Europese normen en strenge eisen stelt aan structurele duurzaamheid en windweerstand.

Toepasselijkheidsoordeel: vereist wijziging. Het huidige ontwerp kan worden aangepast na gedeeltelijke aanpassingen: versterk het laterale verstevigingssysteem, vergroot de dikte van de flenzen van de kolom{1}} met 2-3 mm en pas de seismische berekeningsparameters aan; het staalverbruik zal met 15-20% toenemen.

 

Seismische omstandigheden: Hoge seismische zone met een PGA van 0,25-0,35 g, hoger dan de 0,15 g van Manila; seismische activiteit is frequent en intens.

Windbelasting: De basiswindsnelheid is 48-52 m/s, iets hoger dan de 45 m/s in Manilla.

Codevereisten: Neemt de Papoea-Nieuw-Guinea National Building Code (PNG NBC) 2015 over, waarin de nadruk wordt gelegd op seismische weerstand en structurele ductiliteit voor hoge- gebouwen.

Toepasselijkheidsoordeel: vereist wijziging. De belangrijkste aanpassingen zijn onder meer: ​​het vergroten van de sectiegrootte van de kolom- (vooral de 1e en 2e verdieping), het toevoegen van meer laterale schoren en het optimaliseren van het systeem voor seismische energiedissipatie; het staalverbruik zal met 25-30% toenemen.

 

 

Seismische omstandigheden: een van de hoogste seismische zones ter wereld met een PGA van 0,40-0,50 g, veel hoger dan de 0,15 g van Manilla; Aardbevingen met een grote kracht komen regelmatig voor.

Windbelasting: De basiswindsnelheid is 40-45 m/s, vergelijkbaar met de 45 m/s in Manilla.

Codevereisten: Voldoet aan de Chileense bouwwet (NCh 433 Of. 2017), die de strengste seismische ontwerpnormen ter wereld hanteert en een hoge structurele ductiliteit en energiedissipatiecapaciteit vereist.

Toepasselijkheidsoordeel: niet aanbevolen. Het huidige structurele systeem kan niet voldoen aan de ultra-hoge seismische vereisten van Chili; een nieuw seismisch-bestendig systeem (zoals een stalen frame-brace-energiedissipatorsysteem) moet opnieuw worden ontworpen en het staalverbruik zal met 50% of meer toenemen.

 

 

Seismische omstandigheden: Hoge seismische zone met een PGA van 0,25-0,30 g, hoger dan de 0,15 g van Manila; De seismische intensiteit varieert per regio (kustgebieden zijn ernstiger).

Windbelasting: De basiswindsnelheid is 42-48 m/s, iets lager dan of vergelijkbaar met de 45 m/s van Manilla.

Codevereisten: keurt de Peruaanse bouwwet (E070) 2017 goed, die strenge eisen stelt aan seismisch ontwerp en structurele stabiliteit van hoge- gebouwen.

Toepasselijkheidsoordeel: vereist wijziging. De belangrijkste aanpassingen zijn onder meer: ​​het versterken van de kolombalkverbindingen-, het vergroten van de laterale stijfheid van de constructie en het optimaliseren van de berekening van de seismische belasting; het staalverbruik zal met 20-25% toenemen.

 

 

Regio	Seismische PGA (g)	Basiswindsnelheid (m/s)	Toepasselijkheidsoordeel	Belangrijke wijzigingen vereist
Manilla (Filippijnen)	0.15	45	Volledig toepasbaar	Geen
Tonga	0.30-0.40	55-60	Niet aanbevolen	Uitgebreid herontwerp van het structurele systeem, aanzienlijke toename van de sectiegrootte en laterale versteviging
Nieuw-Caledonië	0.20	50	Vereist wijziging	Versterk de laterale versteviging, verhoog de flensdikte, pas seismische parameters aan
Papoea-Nieuw-Guinea	0.25-0.35	48-52	Vereist wijziging	Vergroot de sectiegrootte van de kolom{0}}, voeg laterale schoren toe, optimaliseer het energiedissipatiesysteem
Chili	0.40-0.50	40-45	Niet aanbevolen	Herontwerp seismisch-bestendig systeem, voeg energiedissipators toe en verhoog de structurele stijfheid aanzienlijk
Peru	0.25-0.30	42-48	Vereist wijziging	Versterk de kolom{0}}liggerverbindingen, verhoog de laterale stijfheid, optimaliseer seismische berekeningen

 

Uitgaande van het voldoen aan de lokale codes van Manilla en het garanderen van structurele veiligheid, kunnen de volgende optimalisatiemaatregelen worden genomen om het staalverbruik te verminderen, de structurele efficiëntie te verbeteren en de projectkosten te verlagen, zonder de functie- en ruimtevereisten van het gebouw te beïnvloeden.

 

 

Kolommen: Voor de 5e-8e verdieping (woonruimte, kleine belasting) kan het kolomgedeelte worden geoptimaliseerd van H400×200×6×8 mm tot H350×180×6×8 mm. Uit de controle van de spanningsverhouding blijkt dat het geoptimaliseerde profiel nog steeds aan de draagkrachteisen kan voldoen, waardoor het staalverbruik voor deze kolommen met ongeveer 8% wordt verminderd.

Balken: Voor de balken tussen as B en as C (overspanning van 6,8 m, kleine belasting) kan de sectie worden geoptimaliseerd van H400×180×6×8 mm tot H350×180×6×8 mm, waardoor het staalverbruik voor deze balken met ongeveer 6% wordt verminderd.

 

 

Op alle 8 verdiepingen zijn de huidige diagonaalschoren aangebracht; ze kunnen worden geoptimaliseerd om met tussenpozen (elke 2 verdiepingen) te worden geplaatst voor de 5e tot 8e verdieping (woonruimte, kleine zijdelingse belasting). Door deze aanpassing kan het aantal schoren voor de bovenste verdiepingen met 50% worden verminderd, terwijl de laterale stijfheid aan de eisen voldoet, waardoor het staalverbruik voor het schorensysteem met ongeveer 5% wordt verminderd.

 

 

Het huidige ontwerp maakt gebruik van Q235B- en Q355B-staal; het kan worden vervangen door geheel Q355B of hoogwaardig-staal voor de hoofdkolommen en balken (1e-4e verdieping, grote belasting). zodat de sectiegrootte op passende wijze kan worden verkleind terwijl hetzelfde draagvermogen behouden blijft. Deze optimalisatie kan het staalverbruik voor de belangrijkste leden met ongeveer 10-12% verminderen.

 

 

Voor de 5e-7e verdieping (woonwijk) kan de dikte van de betonvloer van samengestelde vloerplaten worden teruggebracht van 120 mm naar 100 mm, en de dikte van het stalen dek kan op 1,2 mm worden gehandhaafd. Deze aanpassing kan het eigen gewicht van de vloer verminderen, waardoor de draagkracht van kolommen en balken wordt verminderd en indirect het staalverbruik met ongeveer 3-4% wordt verminderd.

 

 

Na uitgebreide optimalisatie kan het totale staalverbruik met 15-20% worden verminderd, van de oorspronkelijke 200,65 ton naar 160,52-170,55 ton. Het staalverbruik per eenheid zal worden teruggebracht tot 50,16-53,30 kg/m², wat nog steeds binnen het redelijke bereik ligt en de projectkosten effectief kan verlagen, terwijl de structurele veiligheid wordt gewaarborgd en wordt voldaan aan de lokale regelgeving.

 

Het structurele ontwerp van het 8- verdiepingen tellende multifunctionele gebouw voldoet aan de vereisten van de lokale codes van Manila (NSCP 2015, PBC 2004) en belastingvereisten, met een totaal staalverbruik van ongeveer 200,65 ton en een staalverbruik per eenheid van 62,7 kg/m². Voor andere regio's: het is volledig van toepassing in Manilla; vereist aanpassing in Nieuw-Caledonië, Papoea-Nieuw-Guinea en Peru (met een overeenkomstige stijging van de staalconsumptie); en wordt niet aanbevolen in Tonga en Chili (vanwege de ultrahoge vereisten voor seismische/windbelasting). Door sectie-optimalisatie, materiaalvervanging en systeemaanpassing kan het staalverbruik met 15-20% worden verminderd zonder de structurele veiligheid aan te tasten, wat aanzienlijke economische voordelen heeft.