Constructief stalen frameontwerp voor een hotel met vier verdiepingen in Papoea-Nieuw-Guinea

 

Locatie: Papoea-Nieuw-Guinea

Seismische zone: Seismische intensiteit van8 graden(equivalent aan PGA ≈ 0,3g gebaseerd op ASCE 7 of vergelijkbare lokale codes)

Windbelasting: Basiswindsnelheid =120 km/u (~33.3 m/s)

Sneeuwbelasting: Geen

Gebruik van gebouwen:

Niveau 1: Parkeergarage (hoogte=3.8 m)

Niveaus 2–4: Hotelkamers (respectievelijk vloer-tot-vloerhoogte=3.7 m, 3,7 m en 3,4 m)

Daktype: Enkel-hellingsdak(aangenomen helling=2% voor drainage)

Buitenmuren: Niet-structurele holle betonblokken (lokaal gebouwd;niet dragend-)

Vloersysteem: Stalen composietdek met-in-gestort beton(nader te specificeren)

 

 

Totale lengte van het gebouw: 80 m

Planconfiguratie:

Oostvleugel: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Westvleugel: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Opmerking: Het plan isniet-rechthoekig, waarschijnlijk L-vormig of getrapt. Voor structurele analyse wordt het gebouw behandeld als twee verbonden blokken met een mogelijke dilatatievoeg of starre verbinding, afhankelijk van de seismische details.

Typische baaimaten: Ga uit van een kolomafstand van7,5 m in de lengterichtingEn6,0 m dwars(instelbaar per bouwkundige invoer).

 

 

Primaire code: AISC 360-16 (specificatie voor constructieve stalen gebouwen)

Seismisch ontwerp: ASCE 7-16 (of gelijkwaardig – aangepast voor PNG-seismiciteit)

Windbelasting: ASCE 7-16, Hoofdstuk 27 (Directionele Procedure)

Materiële normen: ASTM A992 (liggers/kolommen), ASTM A36 (platen, aansluitende elementen)

 

 

 

Onderdeel	Belasting (kN/m²)
Stalen dek + 125 mm betonplaat (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Plafond, MEP, afwerkingen	0.5
Dakbedekking (metalen dek + isolatie)	0.3
Holle blokmuur (niet-structureel, maar toegepast als lijnbelasting op balken)	~3,0 kN/m(per meter hoogte)

 

 

Niveau	LL (kN/m²)	Referentie
Niveau 1 (Parkeren)	2.5	ASCE 7
Niveaus 2–4 (hotel)	1.9	ASCE 7 (residentieel)
Dak	0.5	Onderhoudsbelasting

 

 

Basis windsnelheid:V = 33.3 m/s

Blootstellingscategorie:C(uitgaande van voorstedelijk/stedelijk terrein)

Windvlaagfactor:G = 0.85

Drukcoëfficiënt (Cp):

Muur (loef):+0.8

Muur (lijwaarts):–0.5

Dak (enkele-helling):–0,9 tot –0,3(afhankelijk van zone)

ASCE 7 Eq gebruiken. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Aangenomen dat (K_z=0.85) op midden- hoogte (~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 ]

Ontwerp winddruk:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Maximale wanddruk ≈0,33 kN/m²(loef), zuigkracht ≈–0,21 kN/m²(lijzijde)

Opmerking: Vanwege de lage opkomst (<15 m), wind governs lateral stability but seismic may control due to high seismicity.

 

 

Spectrale reactie: Voor 8 graden zone, veronderstellenS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(conservatieve schatting per lokale aanpassing van ASCE 7)

Risicocategorie: II

R-factor (stalen momentframe): R = 8(voor speciaal momentframe – SMF)

Belangfactor: (I_e = 1.0)

Geschatte fundamentele periode:
[ T_a = C_t h_n^x = 0.028 × (14.6)^{0.8} ≈ 0.028 × 8.5 ≈ 0.24 s ]
(Totale hoogte (h_n=3.8 + 3×3,7 – 0.3=14.6) m ca.)

Seismische basisafschuiving:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5% van het totale gewicht- significant.

 

 

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

3 bezette verdiepingen + dak ≈ 4 niveaus

Gem. DL + LL per verdieping ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m²

Totaal gewicht (B ≈ 2544 × 5,65 × 4 ≈57.500 kN

Basisafschuiving (V ≈ 0,125 × 57.500 ≈7.200 kN

→ Seismiek regeert over windvoor zijdelings ontwerp.

 

 

Lateraal krachtbestendig systeem (LFRS):

Speciale concentrisch geschoorde frames (SCBF)ofSpeciale momentframes (SMF)

Gezien de architectonische flexibiliteit en de behoefte aan open parkeergelegenheid,SCBFheeft de voorkeur vanwege efficiëntie en ductiliteit in sterk-seismische zones.

Zwaartekracht systeem:

Composiet balken(W-vormen met breekbouten + metalen dek + betonplaat)

Kolommen: HSS- of W-profielen doorlopend van fundering tot dak

Versteviging: X-versteviging in beide richtingen bij trap-/liftkernen en omtrek waar mogelijk

Dak: enkele-helling ondersteund door schuine dakbalken of taps toelopende frames; gordingen bovenop.

 

 

6.1 Vloerbalken (typisch interieur)

Overspanning: 7,5 m

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

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

Vereiste sectiemodulus: (Z_x Groter dan of gelijk aan M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

Proefsectie: W410×60(Zₓ=773×10³ mm³, OK)

6.2 Randliggers (met muurbelasting)

Extra wandbelasting: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

Totaal w ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 Kolommen (interieur, 4 verdiepingen)

Zijriviergebied: 7,5 m × 6,0 m=45 m²

Axiale belasting per verdieping: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

Totaal P ≈ 4 × 232 =928 kN

Voeg 20% ​​toe voor seismische axiale effecten →P_u ≈ 1.115 kN

Effectieve lengte (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)

Gebruik W250×67 of HSS203×203×9,5 voor zuinigheid

6.4 Steunleden (SCBF)

Ga uit van versteviging op 2 traveeën per richting

Seismische verdiepingsafschuiving per travee ≈ 7.200 / (aantal geschoorde frames)

Ga uit van 4 geschoorde frames in elke richting → ~900 kN per frame

Diagonale kracht: (F=V / sinθ); θ=45 graad → F ≈ 900 / 0,707 ≈1.270 kN

Vereist A_g Groter dan of gelijk aan 1.270.000 / (0,9×345) ≈4.090 mm²

Proces: HSS152×152×9,5(A=5,200 mm², OK voor spanning/compressie met slankheidscontrole)

 

 

Metalen dek: Conform® 2.0 of Bondek®(profieldiepte=60 mm)

Betonnen plaat: 125 mm dik, f'c=25 MPa

Afschuifnoppen: 19 mm diameter × 100 mm hoogte, op afstand300 mm oclangs balken

Samengestelde actie: Volledige interactie verondersteld volgens AISC 360 Hoofdstuk I

 

 

Bodemrapport vereist– ga uit van een matig draagvermogen (150 kPa)

Kolomreacties: Max ~1.200 kN → voetmaat ≈ √(1.200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 mgeïsoleerde voet

Seismische verankering: Ankerstangen ontworpen voor heffen en afschuiven volgens ACI 318

 

 

Straal-naar-kolom: Geboute eindplaten of gelaste momentverbindingen (indien SMF gebruikt)

Steun-aan-kruisje: Whitmore-sectiemethode volgens AISC Seismic Provisions

Deksteun: Eenvoudig lager op de bovenflens van de balk

 

 

Item	Specificatie
LFRS	Speciale concentrisch geschoorde frames (SCBF)
Zwaartekracht balken	B410×60 (binnenkant), B460×74 (rand)
Kolommen	B250×67 of HSS203×203×9,5
Beugel	HSS152×152×9,5
Vloerdek	60 mm diep composiet metalen dek + 125 mm beton
Seismische basisafschuiving	~7.200 kN (beheert ontwerp)
Winddruk	~0,33 kN/m² (niet-bestuurlijk)
Dakhelling	2% enkele helling, ondersteund door schuine spanten

 

 

Schakel een lokale geotechnisch ingenieur in voor een bodemrapport.

Coördineer met de architect om verstevigde frames te vinden zonder parkeerplaatsen of kamers te belemmeren.

Gebruik een corrosiebestendig-verfsysteem (C4-omgeving volgens ISO 12944 – kust-PNG).

Zorg voor bewegingsvoegen als de oost/westvleugels aanzienlijk verschoven zijn.

Voer gedetailleerde structurele 3D-analyses uit met behulp van software (bijv. ETABS, SAP2000) inclusief P-Δ-effecten.

 

 

 

Deze schatting van het staaltonnage omvat de primaire en secundaire structurele staalelementen die nodig zijn voor de zwaartekracht- en laterale belasting-systemen van het vier verdiepingen tellende hotel, waaronder:

Kolommen (van fundering tot dak)

Vloer- en dakbalken (composietontwerp)

Steunelementen (Speciale Concentrisch Verstevigde Frames – SCBF)

Dakconstructie (schuine spanten en gordingen)

Verbindingen (geschat op 5% van het gewicht van het hoofdelement)

Uitgesloten:

Metalen dek (beschouwd als niet-structurele bekleding/plaatondersteuning)

Ankerstangen, voetplaten (inbegrepen in aansluitvergoeding)

Trappen, leuningen, diversen staal

 

 

Bouwplan bestaat uit twee aaneengesloten blokken:

Oostblok: 55.6 m × 27 m

Westblok: 25 m × 41.7 m
→ Totale voetafdruk ≈2,544 m²

Typisch kolomraster:7,5 m (longitudinaal) x 6,0 m (dwars)

Aantal kolommen:

Oostblok: (55,6/7,5 ≈ 8 traveeën → 9 lijnen) × (27/6 ≈ 4,5 → 5 lijnen) =45 kolommen

Westblok: (25/7,5 ≈ 3,3 → 4 regels) × (41,7/6 ≈ 7 → 8 regels) =32 kolommen

Overlap op kruispunt aftrekken (~5 gedeelde kolommen) →Totaal aantal kolommen ≈ 72

Verdiepingen: 4 niveaus (inclusief dak)

Verstevigde frames: 2 per richting per blok →8 totaal verstevigde baaien

Dakhelling: 2%, ondersteund door schuine balken; geen spanten

 

 

Gezien het karakter van het project als volkshuisvesting hebben we besloten om het gehele structurele systeem te versterken, zodat er een robuust gebouw ontstaat met een levensduur van meer dan 100 jaar. Om dit te bereiken hebben we conventionele kolommen vervangen door stalen kolommen met koker- en deze ter plekke- gevuld met beton, waardoor de algehele structurele sterkte aanzienlijk is verbeterd.

 

 

Sectie:Doostype 400X400x12x12mm(massa=146.2 kg/m2)

Hoogte per kolom:

Niveau 1: 3,8 meter

Niveaus 2–3: elk 3,7 m

Niveau 4: 3,4 meter
→ Totale hoogte =14.6 m

Totale kolomlengte=72 × 14.6 =1,051 m

Kolomgewicht=1,051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 ton

Opmerking: kolommen op de begane grond kunnen zwaarder zijn; dit is een gemiddelde.

 

 

Binnenlandse balken: WH500X290X10X16mm (massa=109.6 kg/m)

Overspanning: 7,5 m

Aantal per verdieping:

Oostblok: 5 dwarslijnen × 8 longitudinale traveeën=40

Westblok: 8 dwarslijnen × 3 longitudinale traveeën=24
→ 64 binnenbalken per verdieping

Totaal voor 3 verdiepingen + dakframe=4 × 64 =256 balken

Lengte=256 × 7.5 =1,920 m

Gewicht=1,920 × 109.6=210.432 kg

Rand-/omtrekbalken: WH600X200X12X12mm (massa=92 kg/m)

Omtreklengte per verdieping ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – overlap ≈290 m/verdieping

Ga uit van randbalken om de 6 m → ~48 randbalken per verdieping

Totaal=4 × 48 =192 balken, gem. overspanning=6.0 m

Lengte=192 × 6 =1,152 m

Gewicht=1,152 × 92=105.984 kg

Totaal gewicht van de balk = 210,432 + 105,984 = 316.416 kg ≈ 316,4 ton

 

 

Sectie:HSS152×152×9,5(massa=42.5 kg/m2)

Verstevigde baaien: 8 totaal (4 in E-W, 4 in N-S)

Elke travee heeft 2 diagonalen per verdieping → 4 verdiepingen × 2 =8 diagonalen per verstevigde framelijn

Totaal diagonalen=8 frames × 8 =64 beugels

Gem. diagonale lengte (voor travee van 7,5 m x 3,7 m op 45 graden):
( L=\\sqrt{7,5^2 + 3.7^2} ≈ 8,4 m )

Totale schoorlengte=64 × 8.4 =538 m

Gewicht beugel=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 ton

 

 

De hoofddakspanten volgen een enkel-hellingsprofiel; gebruikW310×45(45 kg/m2)

Afstand: 3,0 m oc (ter ondersteuning van gordingen)

Totaal dakoppervlak=2,544 m² → spantlengte ≈ gebouwbreedte (max. 41,7 m)

Aantal spanten ≈ 80 m / 3,0 ≈27 lijnen

Gem. spantlengte=35 m (gewogen gemiddelde van oost/west breedte)

Totale spantlengte=27 × 35 =945 m

Gewicht spant=945 × 45 =42.525 kg

Gordingen: C200×20×2,5 (5,5 kg/m), afstand 1,5 m oc

Totale gordinglengte ≈ (2.544 m² / 1,5 m tussenruimte) × 1,0 m =1,696 m

Gewicht=1,696 × 5.5 =9.328 kg

Totaal dakstaal = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 ton

 

 

Standaard praktijk:5%van het totale gewicht van de hoofdelement

Totaal hoofdleden=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 ton

Verbindingen=0.05 × 533,900 =27.245 kg ≈ 27,3 ton

 

 

Onderdeel	Gewicht (ton)
Kolommen	153.7
Vloer- en randbalken	316.4
Versteviging (SCBF)	22.9
Dakframe (spanten + gordingen)	51.9
Verbindingen (5%)	27.3
Totaal geschat constructiestaal	572,2 ton

 

 

Totaal vloeroppervlak =2,544 m²

Staal per oppervlakte-eenheid=572.2 t / 2.544 m² =225kg/m²

Dit is redelijk voor een seismisch-bestendig stalen gebouw van 4- verdiepingen met verstevigde frames in een seismisch gebied.

 

 

Optimalisatiepotentieel: Het gebruik van grotere baaien of minder verstevigingen zou het tonnage kunnen verlagen, maar seismische eisen in PNG beperken de reducties.

Lokale fabricage: Houd rekening met de beschikbaarheid van standaard secties in PNG of Australië (er wordt uitgegaan van veelgebruikte secties zoals W--vormen en HSS).

Corrosiebescherming: Geheel staal moet worden voorzien van thermisch-verzinkings- of duplexverfsysteem vanwege de tropische kustomgeving.

Onvoorspelbaarheid: Toevoegen5–10%voor ontwerpontwikkeling, architectonische veranderingen of het detailleren van inefficiënties →Definitieve begrotingsraming: ~615-700 ton. Als je een trap en structuur voor liften toevoegt, zal het in het algemeen rond zijn650~750 tonin finale.

Opgesteld door: Hangzhou Xixi Building Co., LTD.
Datum: 16 januari 2026
Basis: AISC 360-16, voorlopige lay-out, ASCE 7-16 seismische aannames