Konstrukční návrh a analýza 8patrové multifunkční montované budovy pro filipínského klienta

Konstrukční návrh a analýza 8patrové multifunkční budovy pro filipínského klienta

 

 

Tento projekt je 8patrová multifunkční budova v Manile na Filipínách o celkovém rozměru 20m × 20m. Výška každého patra je navržena následovně: 1. patro (parkoviště) plus mezanin celkem v 6m; 2. patro (sklad) je vysoké 6m; 3. a 4. patro (kancelářské prostory) mají 4,5 m a 3,4 m; 5. až 7. podlaží (obytné prostory) jsou každé 3,4 m vysoké; 8.NP (střešní veřejný prostor) plus výška střechy je 2,8m. Pro optimalizaci prostoru jsou uspořádány pouze 3 řady strukturálních sloupců: Osa A má celkem 4 sloupy, vzdálenost mezi osou A a osou B je 13,2 m a vzdálenost mezi osou B a osou C je 6,8 m. Vzdálenost mezi 4 sloupy na ose A je 5,9 m (1-2 osy), 8,2 m (2-3 osy) a 5,9 m (3-4 osy).

 

 

 

National Structural Code of the Philippines (NSCP) 2015: Řídí celkový konstrukční návrh, výpočet zatížení, materiálové vlastnosti a bezpečnostní požadavky.

Philippine Building Code (PBC) 2004: Reguluje používání budov, požární bezpečnost a strukturální trvanlivost odpovídající multifunkčním budovám (parkoviště, sklady, kanceláře, obytné prostory, veřejný prostor).

Kritéria seismického návrhu: Manila se nachází v mírné seismické zóně s maximálním zrychlením země (PGA) 0,15 g; konstrukční návrh využívá seismickou intenzitu 7 (0,15 g) pro anti-seismickou kontrolu.

Kritéria zatížení větrem: Základní rychlost větru v Manile je 45 m/s (kategorie 3); výpočet zatížení větrem se řídí NSCP 2015, kapitola 28, s ohledem na rozložení tlaku větru a konstrukční koeficient odporu větru.

 

 

Dead Load (DL): Podle NSCP 2015 v kombinaci s funkcí budovy: střecha (2,5 kN/m²), obytná podlaha (2,0 kN/m²), kancelářská podlaha (2,5 kN/m²), podlaha skladu (5,0 kN/m²), parkoviště (4,0 kN/m²), mezipatro (3,0 kN/m²); vlastní hmotnost prvků ocelové konstrukce se vypočítává na základě skutečné velikosti průřezu.

Živé zatížení (LL): Obytná plocha (2,5 kN/m²), kancelářská plocha (3,0 kN/m²), sklad (10,0 kN/m²), parkoviště (2,5 kN/m² na vozidlo, plus 1,0 kN/m² pro pěší), střešní veřejný prostor (2,0 kN/m²).

Seizmické zatížení (EL): Vypočteno pomocí metody spektra odezvy s ohledem na rozložení konstrukční hmoty, charakteristiky tuhosti a poměr tlumení (0,05 pro ocelové konstrukce).

Zatížení větrem (WL): Vypočteno jako tlak větru (w=0.613 × V², V=45 m/s) a rozložené na každé podlaží podle výšky a konstrukčního tvaru; Vibrace-vyvolané větrem se kontrolují na výškové-části (5–8 pater).

Jiné zatížení: Zatížení sněhem se neuvažuje (Manila je tropická oblast); Sekundární zatížení vyvolaná zemětřesením- (jako je P-Δ efekt) a teplotní napětí jsou zahrnuty do posouzení návrhu.

 

 

S ohledem na funkci budovy, prostorové požadavky a požadavky místních předpisů je přijata ocelová rámová konstrukce, která má výhody nízké hmotnosti, vysoké pevnosti, dobré tažnosti a rychlé výstavby. Konkrétní konstrukční uspořádání je následující:

Sloupy: Jsou použity ocelové H-nosníky; sekce sloupů jsou určeny podle nosnosti-každého podlaží. 1.-2. patro (parkoviště + sklad) má z důvodu velkého zatížení H600×250×8×12 mm; 3.-4. patro (kancelář) přijímá H500×200×7×10 mm; 5.-8. patro (obytné + střecha) přijímá H400×200×6×8 mm.

Nosníky: Ocelové H-nosníky se používají pro podlahové nosníky a střešní nosníky. Nosníky mezi osou A a osou B (rozpětí 13,2 m) přijímají H500×200×7×10 mm (1.-2. patro) a H450×180×6×9 mm (3.-8. patro); nosníky mezi osou B a osou C (rozpětí 6,8 m) přijímají H400×180×6×8 mm (všechna podlaží); nosníky mezipatra jsou H300×150×6×8 mm.

Podlahová deska: Je použita kompozitní podlahová deska (ocelová paluba + beton) s tloušťkou betonu 120 mm (obytné/kancelářské), 150 mm (sklad/parkoviště) a 100 mm (mezipatro/střecha); model ocelové paluby je B-120 o tloušťce 1,2 mm.

Systém bočního odporu: Ocelový rám samotný poskytuje boční tuhost; navíc jsou v rozích budovy (osa A-1, A-4, C-1, C-4) uspořádány diagonální výztuhy pro zvýšení boční odolnosti proti větru a seismickému zatížení.

 

 

Spotřeba oceli zahrnuje všechny hlavní konstrukční prvky: sloupy, nosníky, podlahové ocelové mostovky, diagonální výztuhy a spojovací prvky (šrouby, svařovací materiály atd.). Pro spojovací prvky (šrouby, svařování atd.) je přidána 10% rezerva na základě hmotnosti hlavních prvků, což je v souladu s konvenčními výpočtovými standardy projektů ocelových konstrukcí.

 

 

Strukturální komponenta	Specifikace	Množství	Jednotková hmotnost (kg/m)	Celková délka (m)	Celková hmotnost (kg)
Sloupce (1.-2. patro)	H600×250×8×12	12 (3 řádky × 4 sloupce)	118.5	144 (12 sloupů × 12 m celková výška pro 1.-2. patro)	17064
Sloupce (3.-4. patro)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 sloupů × 7,5 m celková výška pro 3.-4. patro)	7587
Sloupce (5.–8. patro)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 sloupů × 11,2 m celková výška pro 5.–8. patro)	8346.24
Nosníky (osa A-B, 1.–2. patro)	H500×200×7×10	24 (4 pole × 6 pater, 1.-2. patra)	84.3	316,8 (24 nosníků × rozpětí 13,2 m)	26706.24
Nosníky (osa A-B, 3.–8. patro)	H450×180×6×9	48 (4 pole × 12 pater, 3.-8. patro)	70.2	633,6 (48 nosníků × rozpětí 13,2 m)	44478.72
Nosníky (osa B-C, všechna podlaží)	H400×180×6×8	72 (4 pole × 18 pater, všech 8 pater)	58.5	489,6 (72 nosníků × rozpětí 6,8 m)	28641.6
Mezipatrové nosníky	H300×150×6×8	12 (4 pole × 3 řady)	40.2	120 (12 paprsků × 10m průměrné rozpětí)	4824
Diagonální rovnátka	H200×150×6×8	32 (4 rohy × 8 pater)	30.1	179,2 (32 rovnátek × 5,6 m průměrná délka)	5393.92
Podlaha ocelová paluba	B-120 (1,2 mm)	1 sada (všechna patra)	12 kg/m²	2880 m² (20 m × 20 m × 7,2 podlaží, bez střechy)	34560
Střešní ocelová paluba	B-120 (1,2 mm)	1 sada	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Hlavní členové celkem	-	-	-	-	182407.72
Povolení připojení (10 %)	-	-	-	-	18240.77
Celková spotřeba oceli	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tun)

 

Celková spotřeba oceli: Přibližně 200,65 metrických tun (včetně 10% přídavku na spojení).

Jednotka Spotřeba oceli: 200,65 tun / (20 m×20 m×8 podlaží)=62.7 kg/m² (vypočteno na základě celkové podlahové plochy 3200 m²).

Jednotková spotřeba oceli je v rozumném rozsahu (60-80 kg/m²) pro multifunkční budovy s ocelovým rámem, což je v souladu s konstrukčními standardy podobných projektů v Manile.

 

 

Následující analýza hodnotí použitelnost současného konstrukčního návrhu (založeného na místních předpisech v Manile) na hlavních trzích CBC, jako je Tonga, Nová Kaledonie, Papua Nová Guinea, Chile a Peru, se zaměřením na rozdíly v místních seismických, větrných a stavebních požadavcích.

 

 

Seismické podmínky: Tonga se nachází ve vysoce seismické zóně (Pacific Ring of Fire) s PGA 0,30-0,40 g, což je mnohem více než 0,15 g v Manile.

Zatížení větrem: Základní rychlost větru je 55-60 m/s (cyklónová oblast), výrazně vyšší než 45 m/s v Manile.

Požadavky kódu: Vyhovuje stavebnímu zákonu Tonga (TBC) 2018, který má přísnější požadavky na boční odolnost a strukturální tažnost.

Posouzení použitelnosti: Nedoporučuje se. Současná strukturální tuhost a seismická odolnost jsou nedostatečné k tomu, aby vydržely vysoké seismické zatížení Tongy a zatížení větrem; sekce nosníku-sloupce a systém bočního ztužení je třeba výrazně posílit a spotřeba oceli se zvýší o 30–40 %.

 

 

Seismické podmínky: Mírná seismická zóna s PGA 0,20 g, mírně vyšší než 0,15 g v Manile.

Zatížení větrem: Základní rychlost větru je 50 m/s (oblast náchylná k tropickým cyklónům-), vyšší než 45 m/s v Manile.

Požadavky na kód: Dodržuje francouzský stavební zákon zámořských území (RTC) 2020, který je podobný evropským normám a má přísné požadavky na strukturální trvanlivost a odolnost proti větru.

Posouzení použitelnosti: Vyžaduje úpravu. Současné provedení lze po dílčích úpravách upravit: posílit systém bočního ztužení, zvýšit tloušťku pásnic sloupu-o 2-3 mm a upravit parametry seismického výpočtu; spotřeba oceli se zvýší o 15-20%.

 

Seismické podmínky: Vysoká seismická zóna s PGA 0,25-0,35 g, vyšší než Manila 0,15 g; seismická aktivita je častá a intenzivní.

Zatížení větrem: Základní rychlost větru je 48-52 m/s, o něco vyšší než 45 m/s v Manile.

Požadavky kódu: Přijímá Národní stavební zákon Papuy Nové Guineje (PNG NBC) 2015, který zdůrazňuje seismickou odolnost a strukturální tažnost pro výškové-budovy.

Posouzení použitelnosti: Vyžaduje úpravu. Mezi hlavní úpravy patří: zvýšení velikosti sekce sloupu- (zejména v 1. až 2. patře), přidání více bočních výztuh a optimalizace systému rozptylu seismické energie; spotřeba oceli se zvýší o 25-30%.

 

 

Seismické podmínky: Jedna z nejvyšších seismických zón na světě s PGA 0,40-0,50 g, daleko přesahující 0,15 g v Manile; často dochází k zemětřesení velkého rozsahu.

Zatížení větrem: Základní rychlost větru je 40-45 m/s, podobně jako v Manile 45 m/s.

Požadavky kódu: Dodržuje chilský stavební zákon (NCh 433 of. 2017), který má nejpřísnější seismické konstrukční normy na světě, vyžadující vysokou strukturální tažnost a kapacitu rozptylu energie.

Posouzení použitelnosti: Nedoporučuje se. Současný strukturální systém nemůže splnit chilské ultra-vysoké seismické požadavky; je třeba přepracovat nový seismicky-systém (např. ocelový rám-výztuhy-systém rozptylovače energie) a spotřeba oceli se zvýší o 50 % nebo více.

 

 

Seismické podmínky: Vysoká seismická zóna s PGA 0,25-0,30 g, vyšší než Manila 0,15 g; seismická intenzita se liší podle regionu (pobřežní oblasti jsou vážnější).

Zatížení větrem: Základní rychlost větru je 42-48 m/s, o něco nižší nebo podobná jako u Manily 45 m/s.

Požadavky kódu: Přijímá peruánský stavební zákon (E070) 2017, který má přísné požadavky na seismický návrh a strukturální stabilitu výškových budov.

Posouzení použitelnosti: Vyžaduje úpravu. Mezi hlavní úpravy patří: zesílení spojů nosníků-sloupů, zvýšení příčné tuhosti konstrukce a optimalizace výpočtu seismického zatížení; spotřeba oceli se zvýší o 20-25%.

 

 

Kraj	Seismické PGA (g)	Základní rychlost větru (m/s)	Rozsudek o použitelnosti	Jsou vyžadovány úpravy klíče
Manila (Filipíny)	0.15	45	Plně použitelné	Žádný
Tonga	0.30-0.40	55-60	Nedoporučuje se	Komplexní přepracování konstrukčního systému, výrazné zvětšení průřezu a bočního ztužení
Nová Kaledonie	0.20	50	Vyžaduje úpravu	Zesílit boční ztužení, zvětšit tloušťku příruby, upravit seismické parametry
Papua Nová Guinea	0.25-0.35	48-52	Vyžaduje úpravu	Zvětšete-velikost sekce nosníku, přidejte boční vzpěry, optimalizujte systém rozptylu energie
Chile	0.40-0.50	40-45	Nedoporučuje se	Přepracujte systém odolný proti seismice{0}}, přidejte rozptylovače energie a výrazně zvyšte tuhost konstrukce
Peru	0.25-0.30	42-48	Vyžaduje úpravu	Posílení{0}}spojení sloupů, zvýšení boční tuhosti, optimalizace seismických výpočtů

 

Za předpokladu splnění místních předpisů Manily a zajištění bezpečnosti konstrukce mohou být přijata následující optimalizační opatření ke snížení spotřeby oceli, zlepšení konstrukční účinnosti a snížení projektových nákladů, aniž by to ovlivnilo funkci budovy a požadavky na prostor.

 

 

Sloupy: Pro 5.-8. podlaží (obytná plocha, malé zatížení) lze profil sloupu optimalizovat z H400×200×6×8 mm na H350×180×6×8 mm. Kontrola poměru napětí ukazuje, že optimalizovaný průřez může stále splňovat požadavky na nosnost, čímž se u těchto sloupů sníží spotřeba oceli asi o 8 %.

Nosníky: U nosníků mezi osou B a osou C (rozpětí 6,8 m, malé zatížení) lze průřez optimalizovat z H400×180×6×8 mm na H350×180×6×8 mm, čímž se u těchto nosníků sníží spotřeba oceli o cca 6 %.

 

 

Současné diagonální výztuhy jsou uspořádány ve všech 8 podlažích; mohou být optimalizovány tak, aby byly uspořádány v intervalech (každé 2 podlaží) pro 5.-8. podlaží (obytná plocha, malé boční zatížení). Touto úpravou lze snížit počet výztuh o 50 % pro horní patra a zároveň zajistit, aby příčná tuhost splňovala požadavky, což snižuje spotřebu oceli u systému výztuh asi o 5 %.

 

 

Současný design přijímá ocel Q235B a Q355B; lze ji nahradit všemi Q355B nebo vysokopevnostní ocelí pro hlavní sloupy a nosníky (1.-4. patro, velké zatížení). takže velikost sekce může být vhodně zmenšena při zachování stejné nosnosti. Tato optimalizace může snížit spotřebu oceli u hlavních členů o cca 10-12 %.

 

 

Pro 5.-7. podlaží (obytná oblast) lze tloušťku betonu spřažených stropních desek snížit ze 120 mm na 100 mm a tloušťku ocelové paluby lze zachovat na 1,2 mm. Tato úprava může snížit vlastní zatížení podlahy, čímž se sníží požadavky na nosnost sloupů a nosníků a nepřímo se sníží spotřeba oceli o cca 3-4%.

 

 

Po komplexní optimalizaci lze snížit celkovou spotřebu oceli o 15-20 %, z původních 200,65 tun na 160,52-170,55 tun. Jednotková spotřeba oceli bude snížena na 50,16-53,30 kg/m², což je stále v rozumném rozmezí a může účinně snížit náklady na projekt při zajištění strukturální bezpečnosti a splnění požadavků místních předpisů.

 

Konstrukční řešení 8-patrové multifunkční budovy splňuje požadavky místních předpisů Manily (NSCP 2015, PBC 2004) a požadavky na zatížení s celkovou spotřebou oceli přibližně 200,65 tun a jednotkovou spotřebou oceli 62,7 kg/m². Pro ostatní regiony: plně platí v Manile; vyžaduje úpravu na Nové Kaledonii, Papui Nové Guineji a Peru (s odpovídajícím zvýšením spotřeby oceli); a nedoporučuje se na Tonze a Chile (kvůli požadavkům na ultravysoké seismické/větrné zatížení). Optimalizací sekce, výměnou materiálu a úpravou systému lze snížit spotřebu oceli o 15–20 % bez ovlivnění bezpečnosti konstrukce, což má významné ekonomické výhody.