Disseny de marc d'acer estructural per a un hotel de 4 plantes a Papua Nova Guinea

 

Ubicació: Papua Nova Guinea

Zona Sísmica: Intensitat sísmica de8 graus(equivalent a PGA ≈ 0,3 g basat en ASCE 7 o codis locals similars)

Càrrega de vent: velocitat bàsica del vent =120 km/h (~33.3 m/s)

Càrrega de neu: Cap

Ús de l'edifici:

Nivell 1: Aparcament (alçada=3.8 m)

Nivells 2-4: habitacions de l'hotel (altura-a-del pis=3.7 m, 3,7 m i 3,4 m respectivament)

Tipus de sostre: Sostre{0}}d'un sol vessant(Pendent suposat=2% per al drenatge)

Murs Exteriors: blocs de formigó buits no-estructurals (construïts localment;no suporta{0}}càrrega)

Sistema de sòl: Tauler d'acer compost amb ciment-in-de formigó(a concretar)

 

 

Longitud total de l'edifici: 80 m

Configuració del pla:

Ala Est: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Ala Oest: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Nota: El pla ésno-rectangular, probablement en forma de L-o esglaonada. Per a l'anàlisi estructural, l'edifici es tracta com dos blocs connectats amb possible junta de dilatació o connexió rígida en funció del detall sísmic.

Mides típiques de la badia: Suposem l'espaiat de columnes de7,5 m longitudinalmenti6,0 m transversalment(ajustable per entrada arquitectònica).

 

 

Codi primari: AISC 360-16 (Especificació per a edificis d'acer estructural)

Disseny sísmic: ASCE 7-16 (o equivalent - adaptat per a la sismicitat PNG)

Càrrega de vent: ASCE 7-16, Capítol 27 (Procediment Direccional)

Normes de materials: ASTM A992 (bigues/columnes), ASTM A36 (plaques, elements secundaris)

 

 

 

Component	Càrrega (kN/m²)
Plaça d'acer + 125 mm Llosa de formigó (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Sostre, MEP, Acabats	0.5
Coberta (coberta metàl·lica + aïllament)	0.3
Mur de bloc buit (no-estructural, però aplicat com a càrrega de línia a les bigues)	~3,0 kN/m(per metre d'alçada)

 

 

Nivell	LL (kN/m²)	Referència
Nivell 1 (aparcament)	2.5	ASCE 7
Nivells 2-4 (hotel)	1.9	ASCE 7 (residencial)
Sostre	0.5	Càrrega de manteniment

 

 

Velocitat bàsica del vent:V = 33.3 m/s

Categoria d'exposició:C(suposant terreny suburbà/urbà)

Factor de ratxa:G = 0.85

Coeficient de pressió (Cp):

Mur (barall del vent):+0.8

Mur (de sotavent):–0.5

Sostre (-únic vessant):–0,9 a –0,3(segons zona)

Utilitzant ASCE 7 Eq. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Suposant (K_z=0.85) a mitja -altura (~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 ]

Pressió del vent de disseny:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Pressió màxima de la paret ≈0,33 kN/m²(bavent), succió ≈–0,21 kN/m²(sotavent)

Nota: a causa de la baixa alçada (<15 m), wind governs lateral stability but seismic may control due to high seismicity.

 

 

Resposta espectral: Per a la zona de 8 graus, suposaS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(estimació conservadora per adaptació local d'ASCE 7)

Categoria de risc: II

Factor -R (marc de moment d'acer): R = 8(per al marc de moment especial - SMF)

Factor d'importància: (I_e = 1.0)

Període Fonamental Aproximat:
[ T_a = C_t h_n^x = 0.028 × (14.6)^{0.8} ≈ 0.028 × 8.5 ≈ 0.24 s ]
(Alçada total (h_n=3.8 + 3×3,7 – 0.3=14.6) m aprox.)

Cisalla base sísmica:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5% del pes total- significatiu.

 

 

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

3 plantes ocupades + teulada ≈ 4 nivells

Mitjana DL + LL per pis ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m²

Pes total (W ≈ 2544 × 5,65 × 4 ≈57.500 kN

Cisalla base (V ≈ 0,125 × 57.500 ≈7.200 kN

→ El sísmic governa sobre el ventper al disseny lateral.

 

 

Sistema de resistència a la força lateral (LFRS):

Bastidors especials amb tirants concèntrics (SCBF)oMarcs de moment especial (SMF)

Donada la flexibilitat arquitectònica i la necessitat d'aparcament obert,SCBFpreferit per a l'eficiència i la ductilitat en zones-sísmiques altes.

Sistema de gravetat:

Bigues compostes(Formes en W-amb tacs de cisalla + coberta metàl·lica + llosa de formigó)

Columnes: seccions HSS o W-contínues des dels fonaments fins al sostre

Tirant: X-arriostrament en ambdues direccions als nuclis d'escales/ascensors i al perímetre quan sigui possible

Sostre: un sol-vessant suportat per bigues de sostre inclinades o marcs afilats; corredisses a la part superior.

 

 

6.1 Bigues del sòl (interior típic)

Envergadura: 7,5 m

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

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

Mòdul de secció requerit: (Z_x Major o igual a M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

Secció de prova: W410×60(Zₓ=773×10³ mm³, bé)

6.2 Bigues de vora (amb càrrega de paret)

Càrrega addicional de paret: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

w total ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 Columnes (interior, 4 pisos)

Àrea afluent: 7,5 m × 6,0 m=45 m²

Càrrega axial per planta: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

P total ≈ 4 × 232 =928 kN

Afegiu un 20% per als efectes axials sísmics →P_u ≈ 1.115 kN

Longitud efectiva (KL ≈ 0,8 × 3700=2,960 mm)

Prova:W250×73(A=9,290 mm², r=119 mm → KL/r ≈ 25 → φPₙ ≈ 0,9×345×9290 ≈2.880 kN >>1.115 kN → D'acord)

Utilitzeu W250×67 o HSS203×203×9,5 per a economia

6.4 Elements de reforç (SCBF)

Assumiu un arriostrament a 2 trams per direcció

Cisalla sísmica de planta per badia ≈ 7.200 / (nombre de marcs arriostrats)

Suposem 4 marcs arriostrats en cada direcció → ~900 kN per fotograma

Força diagonal: (F=V / sinθ); θ=45 grau → F ≈ 900 / 0,707 ≈1.270 kN

A_g obligatori Superior o igual a 1.270.000 / (0,9×345) ≈4.090 mm²

Judici: HSS152×152×9,5(A=5,200 mm², correcte per a tensió/compressió amb control d'esveltesa)

 

 

Coberta de metall: Conform® 2.0 o Bondek®(profunditat del perfil=60 mm)

Llosa de formigó: 125 mm de gruix, f'c=25 MPa

Tacs de cisalla: 19 mm de diàmetre × 100 mm d'alçada, espaiat a300 mm ocal llarg de bigues

Acció composta: S'assumeix una interacció completa segons AISC 360 Capítol I

 

 

Cal informe de sòl– assumir una capacitat de càrrega moderada (150 kPa)

Reaccions de columna: ~1.200 kN màxim → mida del peu ≈ √(1.200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 mpeu aïllat

Ancoratge sísmic: Barres d'ancoratge dissenyades per a l'elevació i el cisallament segons ACI 318

 

 

Envia-a-columna: Plaques extremes cargolades o connexions de moment soldades (si s'utilitza SMF)

Prepareu-vos-a-esfuel: mètode de secció Whitmore segons les disposicions sísmiques AISC

Suport de coberta: Coixinet simple a la brida superior de la biga

 

 

Item	Especificació
LFRS	Bastidors especials amb tirants concèntrics (SCBF)
Feixos de gravetat	W410×60 (interior), W460×74 (vora)
Columnes	W250×67 o HSS203×203×9,5
Tirants	HSS152×152×9,5
Terrassa de pis	Tauler metàl·lic compost de 60 mm de profunditat de formigó + 125 mm
Cisalla base sísmica	~7.200 kN (regla el disseny)
Pressió del vent	~0,33 kN/m² (no-governant)
Pendent del sostre	Un sol pendent del 2%, sostingut per bigues inclinades

 

 

Contracteu l'enginyer geotècnic local per a l'informe de sòls.

Coordinar-se amb l'arquitecte per localitzar marcs arriostrats sense obstruir l'aparcament o les habitacions.

Utilitzeu un sistema de pintura -resistent a la corrosió (entorn C4 segons ISO 12944 - PNG costanera).

Proporcioneu juntes de moviment si les ales est/oest estan significativament compensades.

Realitzeu anàlisis estructurals 3D detallades mitjançant programari (p. ex., ETABS, SAP2000) que inclou efectes P-Δ.

 

 

 

Aquesta estimació de tonatge d'acer cobreix els elements estructurals primaris i secundaris d'acer necessaris per als sistemes de resistència a la gravetat i la càrrega lateral-de l'hotel de 4 pisos, incloent:

Columnes (des dels fonaments fins al sostre)

Bigues del terra i del sostre (disseny compost)

Elements de tirant (marcs especials amb arriostraments concèntrics - SCBF)

Estructura del sostre (bigues inclinades i corretges)

Connexions (estimada en un 5% del pes del membre principal)

Exclosos:

Coberta metàl·lica (considerada suport de revestiment/llosa no-estructural)

Barres d'ancoratge, plaques de base (incloses en la dotació de connexió)

Escales, baranes, acers diversos

 

 

El pla de construcció consta de dos blocs connectats:

Bloc Est: 55.6 m × 27 m

Bloc Oest: 25 m × 41.7 m
→ Empremta total ≈2,544 m²

Quadrícula de columnes típica:7,5 m (longitudinal) × 6,0 m (transvers)

Nombre de columnes:

Bloc de l'est: (55,6/7,5 ≈ 8 badies → 9 línies) × (27/6 ≈ 4,5 → 5 línies) =45 columnes

Bloc oest: (25/7,5 ≈ 3,3 → 4 línies) × (41,7/6 ≈ 7 → 8 línies) =32 columnes

Dedueix la superposició a la cruïlla (~5 columnes compartides) →Total de columnes ≈ 72

Plantes: 4 nivells (inclòs terrat)

Marcs arriostrats: 2 per sentit per bloc →8 badies arriostrades en total

Pendent de coberta: 2%, sostingut per bigues inclinades; sense encavallades

 

 

Atesa la naturalesa del projecte d'habitatge públic residencial, vam decidir reforçar tot el sistema estructural per crear un edifici robust amb una vida útil superior als 100 anys. Per aconseguir-ho, vam substituir les columnes convencionals per columnes d'acer de secció de caixa-i les vam omplir al lloc-de formigó, millorant significativament la resistència estructural general.

 

 

Secció:Tipus de caixa 400X400x12x12mm(massa=146.2 kg/m)

Alçada per columna:

Nivell 1: 3,8 m

Nivells 2–3: 3,7 m cadascun

Nivell 4: 3,4 m
→ Alçada total =14.6 m

Longitud total de la columna=72 × 14.6 =1,051 m

Pes de la columna=1, 051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 tones

Nota: les columnes de la planta baixa poden ser més pesades; això és una mitjana.

 

 

Bigues interiors: WH500X290X10X16mm (massa=109.6 kg/m)

Envergadura: 7,5 m

Nombre per planta:

Bloc est: 5 línies transversals × 8 travesses longitudinals=40

Bloc oest: 8 línies transversals × 3 trams longitudinals=24
→ 64 bigues interiors per planta

Total per a 3 plantes + marc del sostre=4 × 64 =256 bigues

Longitud=256 × 7.5 =1,920 m

Pes=1,920 × 109.6=210.432 kg

Bigues de vora/perímetre: WH600X200X12X12mm (massa=92 kg/m)

Longitud del perímetre per planta ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – solapament ≈290 m/pis

Suposem bigues de vora cada 6 m → ~48 bigues de vora per pis

Total=4 × 48 =192 bigues, mitjana. abast=6.0 m

Longitud=192 × 6 =1,152 m

Pes=1,152 × 92=105.984 kg

Pes total del feix = 210,432 + 105,984 = 316.416 kg ≈ 316,4 tones

 

 

Secció:HSS152×152×9,5(massa=42.5 kg/m)

Banys reforçats: 8 en total (4 a l'E-O, 4 al N-S)

Cada badia té 2 diagonals per planta → 4 pisos × 2 =8 diagonals per línia de marc arriostrada

Diagonals totals=8 fotogrames × 8 =64 tirants

Mitjana Longitud diagonal (per a una badia de 7,5 m × 3,7 m a 45 graus):
( L=\\sqrt{7,5^{2 + 3.7^2} ≈ 8,4 m )

Longitud total de tirants=64 × 8.4 =538 m

Pes del braç=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 tones

 

 

Les bigues del sostre principal segueixen un perfil d'un sol-vessant; utilitzarW310×45(45 kg/m)

Espaiat: 3,0 m oc (per suportar corretges)

Superfície total del sostre=2, 544 m² → longitud de la biga ≈ amplada de l'edifici (màxim 41,7 m)

Nombre de bigues ≈ 80 m / 3,0 ≈27 línies

Mitjana longitud de les bigues=35 m (mitjana ponderada de les amplades est/oest)

Longitud total de les bigues=27 × 35 =945 m

Pes de les bigues=945 × 45 =42.525 kg

Verlins: C200×20×2,5 (5,5 kg/m), espaiats 1,5 m oc

Longitud total de la correa ≈ (2.544 m² / espai d'1,5 m) × 1,0 m =1,696 m

Pes=1,696 × 5.5 =9.328 kg

Sostre total d'acer = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 tones

 

 

Pràctica estàndard:5%del pes total del membre principal

Total de membres principals=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 tones

Connexions=0.05 × 533,900 =27.245 kg ≈ 27,3 tones

 

 

Component	Pes (tones)
Columnes	153.7
Bigues de terra i vora	316.4
Tirant (SCBF)	22.9
Estructura del sostre (bigues + corretges)	51.9
Connexions (5%)	27.3
Total estimat d'acer estructural	572,2 tones

 

 

Superfície total =2,544 m²

Acer per unitat de superfície=572.2 t / 2.544 m² =225 kg/m²

Això és raonable per a un edifici d'acer resistent al sísmic-de 4-pisos amb marcs reforçats en una regió d'alt sísmic.

 

 

Potencial d'optimització: L'ús de badies més grans o arriostraments reduïts podria reduir el tonatge, però les demandes sísmiques a PNG limiten les reduccions.

Fabricació local: tingueu en compte la disponibilitat de seccions estàndard a PNG o Austràlia (s'assumeixen seccions habituals com ara les formes W-i HSS).

Protecció contra la corrosió: tot l'acer per rebre-galvanització en calent o sistema de pintura dúplex a causa de l'entorn tropical costaner.

Contingència: Afegir5–10%per al desenvolupament del disseny, canvis arquitectònics o ineficiències de detall →Estimació pressupostària final: ~615–700 tones. Si afegiu una escala i una estructura per a ascensors, en general hi haurà650 ~ 750 tonesa la final.

Preparat per: Hangzhou Xixi Building Co., LTD.
Data: 16 de gener de 2026
Base: AISC 360-16, traçat preliminar, hipòtesis sísmiques ASCE 7-16