طراحی سازه و تحلیل ساختمان پیش ساخته چند منظوره 8 طبقه برای مشتری فیلیپینی

طراحی سازه و تحلیل ساختمان 8 طبقه چند منظوره برای مشتری فیلیپینی

 

 

این پروژه یک ساختمان چند منظوره 8 طبقه است که در مانیل، فیلیپین، با ابعاد کلی 20 × 20 متر واقع شده است. ارتفاع هر طبقه به صورت زیر طراحی شده است: طبقه 1 (پارکینگ) به اضافه نیم طبقه در مجموع 6 متر. طبقه دوم (انبار) 6 متر ارتفاع دارد. طبقات 3 و 4 (مناطق اداری) به ترتیب 4.5 متر و 3.4 متر هستند. طبقات 5 تا 7 (مناطق مسکونی) هر کدام 3.4 متر ارتفاع دارند. طبقه هشتم (فضای عمومی پشت بام) به علاوه ارتفاع سقف 2.8 متر است. برای بهینه سازی فضا، تنها 3 ردیف از ستون های سازه ای مرتب شده اند: محور A در مجموع دارای 4 ستون است، فاصله بین محور A و محور B 13.2 متر و فاصله بین محور B و محور C 6.8 متر است. فاصله بین 4 ستون در محور A به ترتیب 5.9 متر (محور 1-2)، 8.2 متر (محور 2-3) و 5.9 متر (محور 3-4) است.

 

 

 

کد ملی سازه فیلیپین (NSCP) 2015: بر طراحی کلی سازه، محاسبه بار، عملکرد مواد و الزامات ایمنی حاکم است.

کد ساختمان فیلیپین (PBC) 2004: استفاده از ساختمان، ایمنی در برابر آتش و دوام ساختاری مربوط به ساختمان های چند منظوره (پارکینگ، انبار، اداری، مسکونی، فضای عمومی) را تنظیم می کند.

معیارهای طراحی لرزه ای: مانیل در یک منطقه لرزه خیز متوسط ​​با شتاب اوج زمین (PGA) 0.15 گرم واقع شده است. طراحی سازه از شدت لرزه ای 7 (0.15 گرم) برای بررسی ضد لرزه- استفاده می کند.

معیارهای بار باد: سرعت پایه باد در مانیل 45 متر بر ثانیه است (رده 3). محاسبه بار باد از فصل 28 NSCP 2015 پیروی می کند که توزیع فشار باد و ضریب مقاومت سازه ای باد را در نظر می گیرد.

 

 

بار مرده (DL): طبق NSCP 2015، همراه با عملکرد ساختمان: سقف (2.5 kN/m²)، طبقه مسکونی (2.0 kN/m²)، طبقه اداری (2.5 kN/m²)، کف انبار (5.0 kN/m²)، پارکینگ (4.0 kN/m²)، نیم طبقه (3 kN/m²)؛ خود-وزن اعضای سازه فولادی بر اساس اندازه مقطع واقعی محاسبه می‌شود.

بار زنده (LL): منطقه مسکونی (2.5 kN/m²)، منطقه اداری (3.0 kN/m²)، انبار (10.0 kN/m²)، پارکینگ (2.5 kN/m² برای هر وسیله نقلیه، به اضافه 1.0 kN/m² برای عابر پیاده)، فضای عمومی پشت بام (2.0 kN/m²).

بار لرزه ای (EL): با استفاده از روش طیف پاسخ، با در نظر گرفتن توزیع جرم سازه، مشخصات سختی و نسبت میرایی (0.05 برای سازه های فولادی) محاسبه می شود.

بار باد (WL): به عنوان فشار باد (w=0.613 × V²، V=45 m/s) محاسبه می‌شود و بر اساس ارتفاع و شکل سازه در هر طبقه توزیع می‌شود. ارتعاشات ناشی از باد برای قسمت‌های بلند-(5-8 طبقه) بررسی می‌شود.

بارهای دیگر: بار برف در نظر گرفته نمی شود (مانیل یک منطقه گرمسیری است). بارهای ثانویه ناشی از زلزله (مانند اثر P-Δ) و تنش دما در بررسی طراحی گنجانده شده است.

 

 

با توجه به عملکرد ساختمان، فضای مورد نیاز و الزامات آیین نامه محلی، یک سازه اسکلت فلزی اتخاذ شده است که دارای مزایای وزن سبک، استحکام بالا، شکل پذیری خوب و ساخت سریع است. ترتیب ساختاری خاص به شرح زیر است:

ستون‌ها: از تیرهای فولادی H-استفاده می‌شود. مقاطع ستون با توجه به ظرفیت باربری هر طبقه تعیین می شود. طبقات 1-2 (پارکینگ + انبار) به دلیل بار زیاد H600×250×8×12 میلی متر را اتخاذ می کنند. طبقات 3-4 (دفتر) H500×200×7×10 میلی متر را اتخاذ می کنند. طبقات 5-8 (مسکونی + پشت بام) H400×200×6×8 میلی متر است.

تیرها: تیرهای فولادی H-برای تیرهای کف و تیرهای سقف استفاده می‌شوند. تیرهای بین محور A و محور B (طبقه 13.2 متر) H500×200×7×10 میلی‌متر (طبقه اول تا دوم) و H450×180×6×9 میلی‌متر (طبقه سوم تا هشتم) هستند. تیرهای بین محور B و محور C (با دهانه 6.8 متر) H400 × 180 × 6 × 8 میلی متر (همه طبقات) را اتخاذ می کنند. تیرهای میانی H300×150×6×8 میلی متر را اتخاذ می کنند.

دال کف: دال کف کامپوزیت (عرشه فولادی + بتن) با ضخامت بتن 120 میلی متر (مسکونی / اداری)، 150 میلی متر (انبار/پارکینگ) و 100 میلی متر (میزان/سقف) پذیرفته شده است. مدل عرشه فولادی B-120 با ضخامت 1.2 میلی متر است.

سیستم مقاومت جانبی: قاب فولادی خود سختی جانبی را فراهم می کند. علاوه بر این، مهاربندهای مورب در گوشه های ساختمان (محور A-1، A-4، C-1، C-4) برای افزایش مقاومت جانبی در برابر باد و بارهای لرزه ای قرار گرفته اند.

 

 

مصرف فولاد شامل تمام اعضای اصلی سازه است: ستون ها، تیرها، عرشه های فولادی کف، مهاربندهای مورب و اجزای اتصال (پیچ و مهره، مواد جوشکاری و غیره). برای اجزای اتصال (پیچ و مهره، جوش و ...) بر اساس وزن اعضای اصلی 10% کمک هزینه اضافه می شود که مطابق با استاندارد محاسباتی مرسوم پروژه های اسکلت فلزی می باشد.

 

 

جزء سازه ای	مشخصات	مقدار	وزن واحد (کیلوگرم بر متر)	طول کل (متر)	وزن کل (کیلوگرم)
ستون ها (طبقه اول تا دوم)	H600×250×8×12	12 (3 ردیف × 4 ستون)	118.5	144 (12 ستون × ارتفاع کل 12 متر برای طبقات 1-2)	17064
ستون ها (طبقه سوم تا چهارم)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 ستون × ارتفاع کل 7.5 متر برای طبقات 3-4)	7587
ستون ها (طبقه پنجم تا هشتم)	H400×200×6×8	12	62.1	134.4 (12 ستون × ارتفاع کل 11.2 متر برای طبقات 5-8)	8346.24
تیرها (محور A-، طبقه اول تا دوم)	H500×200×7×10	24 (4 دهانه × 6 طبقه، طبقه 1-2)	84.3	316.8 (24 تیر × دهانه 13.2 متر)	26706.24
تیرآهن (محور A-، طبقه سوم تا هشتم)	H450×180×6×9	48 (4 دهانه × 12 طبقه، طبقه 3-8)	70.2	633.6 (48 تیر × دهانه 13.2 متر)	44478.72
تیرها (محور B-C، همه طبقات)	H400×180×6×8	72 (4 دهانه × 18 طبقه، همه 8 طبقه)	58.5	489.6 (72 تیر × دهانه 6.8 متر)	28641.6
تیرهای نیم طبقه	H300×150×6×8	12 (4 دهانه × 3 ردیف)	40.2	120 (12 تیر × دهانه متوسط ​​10 متر)	4824
بریس های مورب	H200×150×6×8	32 (4 گوشه × 8 طبقه)	30.1	179.2 (32 بادبند × طول متوسط ​​5.6 متر)	5393.92
عرشه فولادی کف	B-120 (1.2 میلی متر)	1 ست (همه طبقات)	12 کیلوگرم بر متر مربع	2880 متر مربع (20 متر × 20 متر × 7.2 طبقه، بدون سقف)	34560
عرشه فولادی سقف	B-120 (1.2 میلی متر)	1 مجموعه	12 کیلوگرم بر متر مربع	400 m² (20m×20m)	4800
مجموع اعضای اصلی	-	-	-	-	182407.72
کمک هزینه اتصال (10%)	-	-	-	-	18240.77
کل مصرف فولاد	-	-	-	-	200648.49 کیلوگرم (≈200.65 تن)

 

کل مصرف فولاد: تقریباً 200.65 متریک تن (شامل 10٪ کمک هزینه اتصال).

مصرف فولاد واحد: 200.65 تن / (20 متر× 20 متر× 8 طبقه)=62.7 کیلوگرم بر متر مربع (محاسبه بر اساس مساحت کل کف 3200 متر مربع).

مصرف فولاد واحد در محدوده معقول (60-80 کیلوگرم بر متر مربع) برای ساختمان های چند منظوره اسکلت فلزی است که با استانداردهای طراحی پروژه های مشابه در مانیل مطابقت دارد.

 

 

تجزیه و تحلیل زیر کاربرد طراحی سازه فعلی (براساس کدهای محلی مانیل) را در بازارهای اصلی CBC مانند تونگا، کالدونیای جدید، پاپوآ گینه نو، شیلی و پرو، با تمرکز بر تفاوت‌های لرزه‌ای محلی، بار باد و الزامات کد ساختمان ارزیابی می‌کند.

 

 

شرایط لرزه ای: تونگا در یک منطقه لرزه خیز (حلقه آتش اقیانوس آرام) با PGA 0.30-0.40 گرم قرار دارد که بسیار بالاتر از 0.15 گرم مانیل است.

بار باد: سرعت پایه باد 55-60 متر بر ثانیه (منطقه سیکلونی) است که به طور قابل توجهی بیشتر از 45 متر بر ثانیه مانیل است.

الزامات کد: مطابق با آیین نامه ساختمانی تونگا (TBC) 2018 است که الزامات سخت گیرانه تری برای مقاومت جانبی و شکل پذیری سازه دارد.

قضاوت کاربردی: توصیه نمی شود. سختی سازه فعلی و مقاومت لرزه ای برای مقاومت در برابر بارهای لرزه ای و باد بالای تونگا کافی نیست. بخش های ستون-و سیستم مهاربندی جانبی باید به طور قابل توجهی تقویت شوند و مصرف فولاد 30-40٪ افزایش می یابد.

 

 

شرایط لرزه ای: منطقه لرزه ای متوسط ​​با PGA 0.20 گرم، کمی بالاتر از 0.15 گرم مانیل.

بار باد: سرعت اولیه باد 50 متر بر ثانیه (طوفان استوایی-منطقه مستعد)، بالاتر از سرعت باد در مانیل 45 متر بر ثانیه است.

الزامات کد: از آیین نامه ساختمانی مناطق خارج از کشور فرانسه (RTC) 2020 پیروی می کند، که مشابه استانداردهای اروپایی است و دارای الزامات سختگیرانه برای دوام سازه و مقاومت در برابر باد است.

قضاوت کاربردی: نیاز به اصلاح دارد. طرح فعلی را می توان پس از تنظیمات جزئی تطبیق داد: تقویت سیستم مهاربندی جانبی، افزایش ضخامت فلنج های ستون-به میزان 2-3 میلی متر، و تنظیم پارامترهای محاسبه لرزه ای. مصرف فولاد 15 تا 20 درصد افزایش خواهد یافت.

 

شرایط لرزه ای: منطقه لرزه ای بالا با PGA 0.25-0.35 گرم، بالاتر از 0.15 گرم مانیل. فعالیت لرزه ای مکرر و شدید است.

بار باد: سرعت اولیه باد 48-52 متر بر ثانیه است که کمی بیشتر از 45 متر بر ثانیه مانیل است.

الزامات کد: کد ملی ساختمان پاپوآ گینه نو (PNG NBC) 2015 را که بر مقاومت لرزه‌ای و شکل‌پذیری سازه برای ساختمان‌های بلند- تأکید دارد، می‌پذیرد.

قضاوت کاربردی: نیاز به اصلاح دارد. تنظیمات اصلی عبارتند از: افزایش اندازه مقطع ستون-(به ویژه طبقات 1-2)، افزودن مهاربندهای جانبی بیشتر، و بهینه سازی سیستم اتلاف انرژی لرزه ای. مصرف فولاد 25 تا 30 درصد افزایش خواهد یافت.

 

 

شرایط لرزه‌ای: یکی از بالاترین مناطق لرزه‌خیز در جهان با PGA 0.40-0.50 گرم، بسیار بیشتر از 0.15 گرم مانیل. زمین لرزه های بزرگ اغلب رخ می دهد.

بار باد: سرعت اولیه باد 40-45 متر بر ثانیه است، مشابه سرعت باد 45 متر بر ثانیه در مانیل.

الزامات کد: از آئین نامه ساختمانی شیلی پیروی می کند (NCh 433 Of. 2017)، که دارای سخت ترین استانداردهای طراحی لرزه ای در جهان است که به شکل پذیری سازه ای بالا و ظرفیت اتلاف انرژی نیاز دارد.

قضاوت کاربردی: توصیه نمی شود. سیستم ساختاری کنونی نمی‌تواند نیازهای لرزه‌ای بسیار-شیلی را برآورده کند. یک سیستم جدید مقاوم در برابر لرزه (مانند یک قاب فولادی-بندبند-سیستم استهلاک انرژی) باید دوباره طراحی شود و مصرف فولاد تا 50 درصد یا بیشتر افزایش می‌یابد.

 

 

شرایط لرزه ای: منطقه لرزه ای بالا با PGA 0.25-0.30 گرم، بالاتر از 0.15 گرم مانیل. شدت لرزه بر اساس منطقه متفاوت است (مناطق ساحلی شدیدتر هستند).

بار باد: سرعت اولیه باد 42-48 متر بر ثانیه است که کمی کمتر از 45 متر بر ثانیه مانیل یا مشابه آن است.

الزامات کد: کد ساختمان پرو (E070) 2017 را پذیرفته است که دارای الزامات سختگیرانه برای طراحی لرزه ای و پایداری سازه ساختمان های بلند-است.

قضاوت کاربردی: نیاز به اصلاح دارد. تنظیمات اصلی عبارتند از: تقویت اتصالات ستون-تیر، افزایش سختی جانبی سازه، و بهینه سازی محاسبه بار لرزه ای. مصرف فولاد 20 تا 25 درصد افزایش خواهد یافت.

 

 

منطقه	PGA لرزه ای (گرم)	سرعت اولیه باد (m/s)	قضاوت کاربردی	تغییرات کلیدی مورد نیاز است
مانیل (فیلیپین)	0.15	45	کاملا قابل اجرا	هیچ کدام
تونگا	0.30-0.40	55-60	توصیه نمی شود	طراحی مجدد جامع سیستم سازه، افزایش قابل توجه اندازه مقطع و مهاربندی جانبی
کالدونیای جدید	0.20	50	نیاز به اصلاح دارد	تقویت مهاربندی جانبی، افزایش ضخامت فلنج، تنظیم پارامترهای لرزه ای
پاپوآ گینه نو	0.25-0.35	48-52	نیاز به اصلاح دارد	افزایش اندازه ستون{0}}تیر، افزودن مهاربندهای جانبی، بهینه سازی سیستم اتلاف انرژی
شیلی	0.40-0.50	40-45	توصیه نمی شود	طراحی مجدد سیستم مقاوم در برابر لرزه{0}}، افزودن اتلاف کننده های انرژی، افزایش بسیار سختی سازه
پرو	0.25-0.30	42-48	نیاز به اصلاح دارد	تقویت اتصالات ستون-تیر، افزایش سختی جانبی، بهینه سازی محاسبه لرزه ای

 

با توجه به رعایت قوانین محلی مانیل و اطمینان از ایمنی سازه، اقدامات بهینه سازی زیر را می توان برای کاهش مصرف فولاد، بهبود کارایی سازه و کاهش هزینه های پروژه انجام داد، بدون اینکه بر عملکرد و فضای مورد نیاز ساختمان تأثیر بگذارد.

 

 

ستون‌ها: برای طبقات 5-8 (منطقه مسکونی، بار کوچک)، بخش ستون را می‌توان از H400×200×6×8 میلی‌متر تا H350×180×6×8 میلی‌متر بهینه کرد. بررسی نسبت تنش نشان می‌دهد که بخش بهینه‌سازی شده همچنان می‌تواند الزامات باربری را برآورده کند و مصرف فولاد را تا حدود ۸ درصد برای این ستون‌ها کاهش دهد.

تیرها: برای تیرهای بین محور B و محور C (دهانه 6.8 متر، بار کوچک)، مقطع را می توان از H400×180×6×8 میلی متر تا H350×180×6×8 میلی متر بهینه کرد و مصرف فولاد را تا حدود 6 درصد برای این تیرها کاهش داد.

 

 

مهاربندهای مورب فعلی در هر 8 طبقه چیده شده اند. می توان آنها را طوری بهینه کرد که در فواصل زمانی (هر 2 طبقه) برای طبقات 5-8 (منطقه مسکونی، بار جانبی کوچک) مرتب شوند. این تنظیم می تواند تعداد بادبندها را تا 50% برای طبقات بالا کاهش دهد، در حالی که اطمینان حاصل شود که سختی جانبی مطابق با الزامات است و مصرف فولاد را تا حدود 5% برای سیستم مهاربندی کاهش می دهد.

 

 

طراحی فعلی از فولاد Q235B و Q355B استفاده می کند. می توان آن را با تمام فولادهای Q355B یا با استحکام بالا-برای ستون ها و تیرهای اصلی (طبقه اول-4، بار بزرگ) جایگزین کرد. بنابراین اندازه بخش می تواند به طور مناسب کاهش یابد و در عین حال ظرفیت باربری یکسان حفظ شود. این بهینه سازی می تواند مصرف فولاد را حدود 10-12 درصد برای اعضای اصلی کاهش دهد.

 

 

برای طبقات 5-هفتم (منطقه مسکونی)، ضخامت دال کف کامپوزیت را می توان از 120 میلی متر به 100 میلی متر کاهش داد و ضخامت عرشه فولادی را می توان در 1.2 میلی متر حفظ کرد. این تنظیم می تواند بار مرده کف را کاهش دهد و در نتیجه باربری مورد نیاز ستون ها و تیرها را کاهش دهد و به طور غیرمستقیم مصرف فولاد را حدود 3-4٪ کاهش دهد.

 

 

پس از بهینه سازی جامع، کل مصرف فولاد را می توان 15-20٪ کاهش داد، از 200.65 تن اصلی به 160.52-170.55 تن. مصرف فولاد واحد به 50.16-53.30 کیلوگرم بر متر مربع کاهش می یابد که هنوز در محدوده معقول است و می تواند به طور موثر هزینه های پروژه را کاهش دهد و در عین حال ایمنی سازه ای را تضمین کند و الزامات کد محلی را برآورده کند.

 

طراحی ساختاری ساختمان چند منظوره 8 طبقه با الزامات قوانین محلی مانیل (NSCP 2015، PBC 2004) و الزامات بار، با مصرف کل فولاد تقریباً 200.65 تن و مصرف فولاد واحد 62.7 کیلوگرم بر متر مربع، مطابقت دارد. برای مناطق دیگر: به طور کامل در مانیل قابل اجرا است. نیاز به اصلاح در کالدونیای جدید، پاپوآ گینه نو و پرو (با افزایش مصرف فولاد مربوطه) دارد. و در تونگا و شیلی توصیه نمی شود (به دلیل الزامات بار زلزله/باد بسیار بالا). از طریق بهینه سازی بخش، جایگزینی مواد و تنظیم سیستم، مصرف فولاد را می توان 15-20٪ کاهش داد بدون اینکه بر ایمنی سازه تأثیر بگذارد، که مزایای اقتصادی قابل توجهی دارد.