Disseny estructural i anàlisi d'un edifici prefabricat multifuncional de 8 pisos per a un client filipí

Disseny estructural i anàlisi d'edificis multifuncionals de 8 pisos per a client filipí

 

 

Aquest projecte és un edifici multifuncional de 8 pisos situat a Manila, Filipines, amb una dimensió total de 20 m × 20 m. L'alçada de cada planta està dissenyada de la següent manera: la 1a planta (aparcament) més entresòl totals en 6m; la 2a planta (magatzem) fa 6m d'alçada; les plantes 3r i 4t (zones d'oficines) són de 4,5m i 3,4m respectivament; les plantes del 5 al 7 (zones residencials) tenen 3,4 m d'alçada cadascuna; la 8a planta (espai públic de coberta) més l'alçada de la coberta és de 2,8 m. Per optimitzar l'espai, només es disposen 3 files de columnes estructurals: l'eix A té 4 columnes en total, l'espai entre l'eix A i l'eix B és de 13,2 m i l'espai entre l'eix B i l'eix C és de 6,8 m. L'espai entre les 4 columnes de l'eix A és de 5,9 m (eix 1-2), 8,2 m (eix 2-3) i 5,9 m (eix 3-4) respectivament.

 

 

 

Codi estructural nacional de Filipines (NSCP) 2015: regula el disseny estructural general, el càlcul de càrrega, el rendiment del material i els requisits de seguretat.

Codi de construcció filipí (PBC) 2004: regula l'ús de l'edifici, la seguretat contra incendis i la durabilitat estructural corresponents als edificis multifuncionals (aparcament, magatzem, oficines, residencial, espai públic).

Criteris de disseny sísmic: Manila es troba en una zona sísmica moderada amb una acceleració màxima del terreny (PGA) de 0,15 g; el disseny estructural adopta una intensitat sísmica 7 (0,15 g) per a la comprovació antisísmica.

Criteris de càrrega del vent: la velocitat bàsica del vent a Manila és de 45 m/s (Categoria 3); El càlcul de la càrrega del vent segueix el capítol 28 del NSCP 2015, tenint en compte la distribució de la pressió del vent i el coeficient de resistència estructural del vent.

 

 

Càrrega morta (DL): segons NSCP 2015, combinat amb la funció d'edifici: sostre (2,5 kN/m²), planta residencial (2,0 kN/m²), planta d'oficines (2,5 kN/m²), planta de magatzem (5,0 kN/m²), aparcament (4,0 kN/m²), entresòl (3,0 kN/m²); El pes-propi dels membres de l'estructura d'acer es calcula en funció de la mida real de la secció.

Càrrega viva (LL): Zona residencial (2,5 kN/m²), zona d'oficines (3,0 kN/m²), magatzem (10,0 kN/m²), aparcament (2,5 kN/m² per vehicle, més 1,0 kN/m² per a vianants), espai públic coberta (2,0 kN/m²).

Càrrega sísmica (EL): Calculada mitjançant el mètode de l'espectre de resposta, tenint en compte la distribució de la massa estructural, les característiques de rigidesa i la relació d'amortiment (0,05 per a estructures d'acer).

Càrrega del vent (WL): calculada com a pressió del vent (w=0.613 × V², V=45 m/s) i distribuïda a cada planta segons l'alçada i la forma estructural; La vibració-induïda pel vent es comprova per a parts-de gran alçada (5-8 pisos).

Altres càrregues: la càrrega de neu no es considera (Manila és una regió tropical); Les càrregues secundàries induïdes-sismes (com ara l'efecte P-Δ) i l'estrès de temperatura s'inclouen a la comprovació del disseny.

 

 

Tenint en compte la funció de l'edifici, els requisits d'espai i els requisits del codi local, s'adopta una estructura de marc d'acer, que té els avantatges de pes lleuger, alta resistència, bona ductilitat i construcció ràpida. La disposició estructural específica és la següent:

Columnes: s'utilitzen bigues d'acer H-; les seccions de la columna es determinen segons la capacitat de càrrega-de cada planta. Les plantes 1r-2n (aparcament + magatzem) adopten H600×250×8×12 mm a causa de la gran càrrega; les plantes 3r-4t (oficina) adopten H500×200×7×10 mm; les plantes 5-8 (residencial + teulada) adopten H400×200×6×8 mm.

Bigues: les bigues d'acer H-s'utilitzen per a bigues de terra i bigues de sostre. Les bigues entre l'Eix A i l'Eix B (13,2 m de llum) adopten H500×200×7×10 mm (plantes 1r-2n) i H450×180×6×9 mm (plantes 3r-8th); les bigues entre l'eix B i l'eix C (6,8 m d'amplitud) adopten H400×180×6×8 mm (tots els pisos); les bigues de l'entresòl adopten H300×150×6×8 mm.

Llosa de pis: s'adopta una llosa composta (coberta d'acer + formigó), amb un gruix de formigó de 120 mm (residencial/oficina), 150 mm (magatzem/aparcament) i 100 mm (entresòl/sostre); el model de coberta d'acer és B-120, amb un gruix d'1,2 mm.

Sistema de resistència lateral: el propi marc d'acer proporciona rigidesa lateral; a més, es disposen tirants diagonals a les cantonades de l'edifici (eix A-1, A-4, C-1, C-4) per millorar la resistència lateral al vent i les càrregues sísmiques.

 

 

El consum d'acer inclou tots els elements estructurals principals: columnes, bigues, cobertes d'acer de terra, tirants diagonals i components de connexió (perns, materials de soldadura, etc.). S'afegeix una dotació del 10% per als components de connexió (perns, soldadura, etc.) en funció del pes dels components principals, que s'ajusta a l'estàndard de càlcul convencional dels projectes d'estructura d'acer.

 

 

Component estructural	Especificació	Quantitat	Pes de la unitat (kg/m)	Longitud total (m)	Pes total (kg)
Columnes (1r-2n pisos)	H600×250×8×12	12 (3 files × 4 columnes)	118.5	144 (12 columnes × 12 m d'alçada total per a les plantes 1r-2n)	17064
Columnes (3r-4t pisos)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 columnes × 7,5 m d'alçada total per a les plantes 3r-4t)	7587
Columnes (pisos 5è-8è)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 columnes × 11,2 m d'alçada total per als pisos 5 i 8)	8346.24
Bigues (eix A-B, 1r-2n pisos)	H500×200×7×10	24 (4 camps × 6 pisos, 1r-2n pisos)	84.3	316,8 (24 bigues × 13,2 m d'envergadura)	26706.24
Bigues (eix A-B, pisos 3r-8)	H450×180×6×9	48 (4 camps × 12 pisos, 3r-8è pisos)	70.2	633,6 (48 bigues × 13,2 m d'envergadura)	44478.72
Bigues (eix B-C, tots els pisos)	H400×180×6×8	72 (4 camps × 18 pisos, els 8 pisos)	58.5	489,6 (72 bigues × 6,8 m d'amplitud)	28641.6
Bigues entresòl	H300×150×6×8	12 (4 trams × 3 files)	40.2	120 (12 feix × 10 m d'abast mitjà)	4824
Tirants diagonals	H200×150×6×8	32 (4 cantonades × 8 pisos)	30.1	179,2 (32 tirants × 5,6 m de llargada mitjana)	5393.92
Coberta de terra d'acer	B-120 (1,2 mm)	1 conjunt (tots els pisos)	12 kg/m²	2880 m² (20m×20m×7,2 pisos, sense sostre)	34560
Coberta d'acer del sostre	B-120 (1,2 mm)	1 conjunt	12 kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Membres principals Total	-	-	-	-	182407.72
Bonificació de connexió (10%)	-	-	-	-	18240.77
Consum total d'acer	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 tones)

 

Consum total d'acer: aproximadament 200,65 tones mètriques (incloent un 10% de bonificació de connexió).

Consum unitari d'acer: 200,65 tones / (20m×20m×8 pisos)=62.7 kg/m² (calculat a partir de la superfície total del sòl de 3200 m²).

El consum unitari d'acer es troba dins del rang raonable (60-80 kg/m²) per als edificis multifuncionals amb estructura d'acer, que és coherent amb els estàndards de disseny de projectes similars a Manila.

 

 

L'anàlisi següent avalua l'aplicabilitat del disseny estructural actual (basat en els codis locals de Manila) als principals mercats de CBC com Tonga, Nova Caledònia, Papua Nova Guinea, Xile i Perú, centrant-se en les diferències en els requisits de sísmica local, càrrega de vent i codi de construcció.

 

 

Condicions sísmiques: Tonga es troba en una zona sísmica alta (anell de foc del Pacífic) amb un PGA de 0,30-0,40 g, que és molt superior als 0,15 g de Manila.

Càrrega de vent: la velocitat bàsica del vent és de 55-60 m/s (regió ciclònica), significativament superior als 45 m/s de Manila.

Requisits del codi: Compleix amb el Tonga Building Code (TBC) 2018, que té requisits més estrictes de resistència lateral i ductilitat estructural.

Judici d'aplicabilitat: no recomanat. La rigidesa estructural i la resistència sísmica actuals són insuficients per suportar les altes càrregues sísmiques i eòliques de Tonga; s'han de reforçar significativament les seccions de bigues-columnes i el sistema d'arriostrament lateral i el consum d'acer augmentarà entre un 30 i un 40%.

 

 

Condicions sísmiques: Zona sísmica moderada amb un PGA de 0,20 g, lleugerament superior als 0,15 g de Manila.

Càrrega de vent: la velocitat bàsica del vent és de 50 m/s (àrea propensa a ciclons tropicals-), superior als 45 m/s de Manila.

Requisits del codi: segueix el Codi de construcció dels territoris francesos d'ultramar (RTC) 2020, que és similar als estàndards europeus i té requisits estrictes de durabilitat estructural i resistència al vent.

Judici d'aplicabilitat: requereix modificació. El disseny actual es pot adaptar després d'ajustaments parcials: reforçar el sistema d'arriostrament lateral, augmentar el gruix de les brides de la biga de la columna-en 2-3 mm i ajustar els paràmetres de càlcul sísmic; el consum d'acer augmentarà un 15-20%.

 

Condicions sísmiques: Zona sísmica alta amb un PGA de 0,25-0,35 g, superior als 0,15 g de Manila; l'activitat sísmica és freqüent i intensa.

Càrrega de vent: la velocitat bàsica del vent és de 48-52 m/s, lleugerament superior als 45 m/s de Manila.

Requisits del codi: adopta el Codi nacional de construcció de Papua Nova Guinea (PNG NBC) 2015, que posa èmfasi en la resistència sísmica i la ductilitat estructural dels edificis-de gran alçada.

Judici d'aplicabilitat: requereix modificació. Els ajustos principals inclouen: augmentar la mida de la secció de la biga-columna (especialment els pisos 1r i 2n), afegir més tirants laterals i optimitzar el sistema de dissipació d'energia sísmica; el consum d'acer augmentarà un 25-30%.

 

 

Condicions sísmiques: una de les zones sísmiques més altes del món amb un PGA de 0,40-0,50 g, molt superior als 0,15 g de Manila; Els terratrèmols de gran magnitud es produeixen amb freqüència.

Càrrega de vent: la velocitat bàsica del vent és de 40-45 m/s, similar als 45 m/s de Manila.

Requisits del codi: segueix el Codi d'edificació de Xile (NCh 433 Of. 2017), que té els estàndards de disseny sísmic més estrictes del món, que requereixen una gran ductilitat estructural i capacitat de dissipació d'energia.

Judici d'aplicabilitat: no recomanat. El sistema estructural actual no pot complir els requisits sísmics ultra-de Xile; s'ha de redissenyar un nou sistema-resistent al sísmic (com ara un sistema de dissipació d'energia-rebraçada-d'estructura d'acer) i el consum d'acer augmentarà un 50% o més.

 

 

Condicions sísmiques: Zona sísmica alta amb un PGA de 0,25-0,30 g, superior als 0,15 g de Manila; la intensitat sísmica varia segons la regió (les zones costaneres són més severes).

Càrrega de vent: la velocitat bàsica del vent és de 42-48 m/s, lleugerament inferior o similar als 45 m/s de Manila.

Requisits del codi: adopta el Codi d'edificació peruà (E070) 2017, que té requisits estrictes per al disseny sísmic i l'estabilitat estructural d'edificis-de gran alçada.

Judici d'aplicabilitat: requereix modificació. Els ajustos principals inclouen: reforçar les connexions de la biga-columna, augmentar la rigidesa lateral de l'estructura i optimitzar el càlcul de la càrrega sísmica; el consum d'acer augmentarà un 20-25%.

 

 

Regió	PGA sísmic (g)	Velocitat bàsica del vent (m/s)	Judici d'aplicabilitat	Es requereixen modificacions clau
Manila (Filipines)	0.15	45	Totalment aplicable	Cap
Tonga	0.30-0.40	55-60	No recomanat	Redisseny integral del sistema estructural, augment significatiu de la mida de la secció i arriostraments laterals
Nova Caledònia	0.20	50	Requereix modificació	Reforçar els arriostraments laterals, augmentar el gruix de la brida, ajustar els paràmetres sísmics
Papua Nova Guinea	0.25-0.35	48-52	Requereix modificació	Augmenteu la mida de la secció del feix de la columna-, afegiu tirants laterals, optimitzeu el sistema de dissipació d'energia
Xile	0.40-0.50	40-45	No recomanat	Redissenyeu el sistema-resistent sísmic, afegiu dissipadors d'energia, augmenteu molt la rigidesa estructural
Perú	0.25-0.30	42-48	Requereix modificació	Reforçar les connexions de la biga-columna, augmentar la rigidesa lateral i optimitzar el càlcul sísmic

 

Amb la premissa de complir els codis locals de Manila i garantir la seguretat estructural, es poden prendre les següents mesures d'optimització per reduir el consum d'acer, millorar l'eficiència estructural i reduir els costos del projecte, sense afectar la funció i els requisits d'espai de l'edifici.

 

 

Columnes: per als 5è-8è pisos (zona residencial, càrrega petita), la secció de la columna es pot optimitzar des d'H400×200×6×8 mm fins a H350×180×6×8 mm. La comprovació de la relació d'esforços mostra que la secció optimitzada encara pot complir els requisits de càrrega, reduint el consum d'acer en un 8% per a aquestes columnes.

Bigues: Per a les bigues entre l'eix B i l'eix C (6,8 m de llum, càrrega petita), la secció es pot optimitzar des d'H400×180×6×8 mm a H350×180×6×8 mm, reduint el consum d'acer en un 6% per a aquestes bigues.

 

 

Les diagonals actuals estan disposades a les 8 plantes; es poden optimitzar per disposar-se per intervals (cada 2 plantes) per a les plantes 5-8 (zona residencial, petita càrrega lateral). Aquest ajust pot reduir el nombre de tirants en un 50% per als pisos superiors, alhora que assegura que la rigidesa lateral compleix els requisits, reduint el consum d'acer en un 5% per al sistema de tirants.

 

 

El disseny actual adopta l'acer Q235B i Q355B; es pot substituir per tot Q355B o acer-d'alta resistència per a les columnes i bigues principals (1r-4t pisos, gran càrrega). de manera que la mida de la secció es pot reduir adequadament mantenint la mateixa capacitat de càrrega. Aquesta optimització pot reduir el consum d'acer en un 10-12% per als membres principals.

 

 

Per als 5è-7è pisos (zona residencial), el gruix de formigó de la llosa composta del sòl es pot reduir de 120 mm a 100 mm i el gruix de la coberta d'acer es pot mantenir en 1,2 mm. Aquest ajust pot reduir la càrrega morta del sòl, reduint així els requisits de càrrega de columnes i bigues i reduint indirectament el consum d'acer en un 3-4%.

 

 

Després d'una optimització integral, el consum total d'acer es pot reduir en un 15-20%, de les 200,65 tones originals a 160,52-170,55 tones. El consum d'acer de la unitat es reduirà a 50,16-53,30 kg/m², que encara es troba dins del rang raonable i pot reduir eficaçment els costos del projecte alhora que garanteix la seguretat estructural i compleix els requisits del codi local.

 

El disseny estructural de l'edifici multifuncional de 8-pisos compleix els requisits dels codis locals de Manila (NSCP 2015, PBC 2004) i els requisits de càrrega, amb un consum total d'acer d'aproximadament 200,65 tones i un consum unitari d'acer de 62,7 kg/m². Per a altres regions: és totalment aplicable a Manila; requereix modificacions a Nova Caledònia, Papua Nova Guinea i Perú (amb els corresponents augments del consum d'acer); i no es recomana a Tonga i Xile (a causa dels requisits de càrrega sísmica/eòlica ultra alta). Mitjançant l'optimització de la secció, la substitució de material i l'ajust del sistema, el consum d'acer es pot reduir en un 15-20% sense afectar la seguretat estructural, la qual cosa té importants beneficis econòmics.