עיצוב מבני וניתוח של בניין טרומי רב תכליתי בן 8 קומות עבור לקוח פיליפיני

עיצוב מבני וניתוח של בניין רב תכליתי בן 8 קומות עבור לקוח פיליפיני

 

 

פרויקט זה הוא בניין רב תכליתי בן 8 קומות הממוקם במנילה, הפיליפינים, עם מימד כולל של 20 מ' × 20 מ'. גובה כל קומה מתוכנן באופן הבא: הקומה הראשונה (חניון) בתוספת קומת ביניים מסתכמת ב-6 מ'; הקומה השנייה (מחסן) גובהה 6 מ'; הקומה ה-3 וה-4 (שטחי משרדים) הם ב-4.5 מ' ו-3.4 מ' בהתאמה; הקומה ה-5 עד ה-7 (אזורי מגורים) כל אחת בגובה 3.4 מ'; הקומה ה-8 (שטח ציבורי בגג) בתוספת גובה הגג הוא 2.8 מ'. לאופטימיזציה של שטח, רק 3 שורות של עמודות מבניות מסודרות: לציר A יש 4 עמודות בסך הכל, המרווח בין ציר A לציר B הוא 13.2 מ', והמרווח בין ציר B לציר C הוא 6.8 מ'. המרווח בין 4 העמודים בציר A הוא 5.9 מ' (ציר 1-2), 8.2 מ' (ציר 2-3) ו-5.9 מ' (ציר 3-4) בהתאמה.

 

 

 

קוד מבני לאומי של הפיליפינים (NSCP) 2015: מסדיר את התכנון המבני הכולל, חישוב עומס, ביצועי החומר ודרישות הבטיחות.

קוד בנייה פיליפיני (PBC) 2004: מסדיר שימוש בבניין, בטיחות אש ועמידות מבנית התואם לבניינים רב-תכליתיים (חניה, מחסן, משרדים, מגורים, שטח ציבורי).

קריטריוני עיצוב סיסמיים: מנילה ממוקמת באזור סיסמי בינוני עם תאוצת קרקע שיא (PGA) של 0.15 גרם; התכנון המבני מאמץ עוצמה סיסמית 7 (0.15 גרם) לבדיקה אנטי-סיסמית.

קריטריוני עומס רוח: מהירות הרוח הבסיסית במנילה היא 45 מ' לשנייה (קטגוריה 3); חישוב עומס הרוח עוקב אחר פרק 28 של NSCP 2015, תוך התחשבות בחלוקת לחץ הרוח ובמקדם התנגדות הרוח המבני.

 

 

עומס מת (DL): לפי NSCP 2015, בשילוב עם פונקציית הבניין: גג (2.5 קילו-ניין/מ"ר), קומת מגורים (2.0 קילו-ניין/מ"ר), קומת משרדים (2.5 קילו-ניין/מ"ר), קומת מחסן (5.0 קילו-ניין/מ"ר), מגרש חניה (4.0 קילו-ניין/מ"ר), קומת ביניים (3.0 קילו-ניין/מ"ר); המשקל העצמי- של איברי מבנה הפלדה מחושב על סמך גודל המקטע בפועל.

עומס חי (LL): אזור מגורים (2.5 קילו-ניין/מ"ר), שטח משרדים (3.0 קילו-ניין/מ"ר), מחסן (10.0 קילו-ניוט/מ"ר), מגרש חניה (2.5 קילו-ניין/מ"ר לכל רכב, בתוספת 1.0 קילו-ניוט/מ"ר להולכי רגל), שטח ציבורי על הגג (2.0 קילו-ניוט/מ"ר).

עומס סיסמי (EL): מחושב בשיטת ספקטרום התגובה, בהתחשב בחלוקת המסה המבנית, מאפייני הקשיחות ויחס השיכוך (0.05 למבני פלדה).

עומס רוח (WL): מחושב כלחץ הרוח (w=0.613 × V², V=45 m/s) ומופץ לכל קומה לפי הגובה והצורה המבנית; רטט המושרה ברוח- נבדק עבור חלקים גבוהים- (5-8 קומות).

עומסים אחרים: עומס שלג אינו נחשב (מנילה היא אזור טרופי); רעידת אדמה-עומסים משניים (כגון אפקט P-Δ) ולחץ טמפרטורה כלולים בבדיקת התכנון.

 

 

בהתחשב בתפקוד הבניין, דרישות השטח ודרישות הקוד המקומי, מאומץ מבנה שלד פלדה, בעל היתרונות של משקל קל, חוזק גבוה, משיכות טובה ובנייה מהירה. ההסדר המבני הספציפי הוא כדלקמן:

עמודות: נעשה שימוש בקורות פלדה H-; חלקי העמודים נקבעים בהתאם ליכולת נשיאת העומס- של כל קומה. הקומות 1-2 (חניה + מחסן) מאמצות H600×250×8×12 מ"מ עקב עומס גדול; הקומות 3-4 (משרד) מאמצות H500×200×7×10 מ"מ; הקומות 5-8 (מגורים + גג) מאמצות H400×200×6×8 מ"מ.

קורות: קורות פלדה H-משמשות לקורות רצפה וקורות גג. הקורות בין ציר A לציר B (טווח של 13.2 מ') מאמצות H500×200×7×10 מ"מ (קומה 1-2) ו-H450×180×6×9 מ"מ (קומות 3-8); הקורות בין ציר B וציר C (טווח של 6.8 מ') מאמצות H400×180×6×8 מ"מ (כל הקומות); קורות הביניים מאמצות H300×150×6×8 מ"מ.

לוח רצפה: מאומץ לוח רצפה מרוכב (דק פלדה + בטון), עם עובי בטון של 120 מ"מ (מגורים/משרדים), 150 מ"מ (מחסן/חניה) ו-100 מ"מ (קומת ביניים/גג); דגם סיפון הפלדה הוא B-120, עם עובי של 1.2 מ"מ.

מערכת התנגדות לרוחב: מסגרת הפלדה עצמה מספקת קשיחות רוחבית; בנוסף, סמכים אלכסוניים מסודרים בפינות הבניין (ציר A-1, A-4, C-1, C-4) כדי לשפר את ההתנגדות הצידית נגד עומסי רוח ועומסים סיסמיים.

 

 

צריכת הפלדה כוללת את כל האיברים המבניים העיקריים: עמודים, קורות, משטחי פלדה רצפתיים, פלטה אלכסונית ורכיבי חיבור (ברגים, חומרי ריתוך וכו'). מתווספת תוספת של 10% לרכיבי חיבור (ברגים, ריתוך וכו') על בסיס משקל האיברים הראשיים, העולה בקנה אחד עם תקן החישוב המקובל של פרויקטים של מבנה פלדה.

 

 

רכיב מבני	מִפרָט	כַּמוּת	משקל יחידה (ק"ג/מ"ר)	אורך כולל (מ')	משקל כולל (ק"ג)
עמודים (קומה 1-2)	H600×250×8×12	12 (3 שורות × 4 עמודות)	118.5	144 (12 עמודות × 12 מ' גובה כולל עבור קומות 1-2)	17064
עמודים (קומות 3-4)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 עמודות × 7.5 מ' גובה כולל עבור קומות 3-4)	7587
עמודים (קומה 5-8)	H400×200×6×8	12	62.1	134.4 (12 עמודות × 11.2 מ' גובה כולל עבור קומות 5-8)	8346.24
קורות (ציר A-B, קומות 1-2)	H500×200×7×10	24 (4 מתחמים × 6 קומות, קומות 1-2)	84.3	316.8 (24 קורות × טווח של 13.2 מ')	26706.24
קורות (ציר A-B, קומות 3-8)	H450×180×6×9	48 (4 מתחמים × 12 קומות, קומות 3-8)	70.2	633.6 (48 קורות × טווח של 13.2 מ')	44478.72
קורות (ב-ציר C, כל הקומות)	H400×180×6×8	72 (4 טווחים × 18 קומות, כל 8 הקומות)	58.5	489.6 (72 קורות × טווח של 6.8 מ')	28641.6
קורות ביניים	H300×150×6×8	12 (4 טווחים × 3 שורות)	40.2	120 (12 קורות × טווח ממוצע של 10 מ')	4824
פלטה אלכסונית	H200×150×6×8	32 (4 פינות × 8 קומות)	30.1	179.2 (32 פלטה × 5.6 מ' אורך ממוצע)	5393.92
סיפון פלדה רצפה	B-120 (1.2 מ"מ)	סט 1 (כל הקומות)	12 ק"ג/מ"ר	2880 מ"ר (20 מ"ר × 20 מ"ר × 7.2 קומות, לא כולל גג)	34560
גג פלדה	B-120 (1.2 מ"מ)	1 סט	12 ק"ג/מ"ר	400 m² (20m×20m)	4800
סה"כ חברים עיקריים	-	-	-	-	182407.72
קצבת חיבור (10%)	-	-	-	-	18240.77
צריכת פלדה כוללת	-	-	-	-	200648.49 ק"ג (≈200.65 טון)

 

צריכת פלדה כוללת: כ-200.65 טון מטרי (כולל 10% קצבת חיבור).

צריכת פלדה ליחידה: 200.65 טון / (20m×20m×8 קומות)=62.7 ק"ג/מ"ר (מחושב על סמך שטח הרצפה הכולל של 3200 מ"ר).

צריכת הפלדה היחידה היא בטווח הסביר (60-80 ק"ג/מ"ר) עבור מבנים רב-תכליתיים של מסגרת פלדה, דבר העולה בקנה אחד עם תקני התכנון של פרויקטים דומים במנילה.

 

 

הניתוח הבא מעריך את ישימות התכנון המבני הנוכחי (מבוסס על הקודים המקומיים של מנילה) בשווקים העיקריים של CBC כגון טונגה, קלדוניה החדשה, פפואה גינאה החדשה, צ'ילה ופרו, תוך התמקדות בהבדלים בסייסמיקה מקומית, בעומס רוח ובדרישות קוד בנייה.

 

 

תנאים סייסמיים: טונגה ממוקמת באזור סיסמי גבוה (טבעת אש פסיפיק) עם PGA של 0.30-0.40g, שהוא הרבה יותר גבוה מה-0.15g של מנילה.

עומס רוח: מהירות הרוח הבסיסית היא 55-60 מ"ש (אזור ציקלון), גבוה משמעותית מ-45 מ"ש של מנילה.

דרישות הקוד: תואם את קוד הבנייה של טונגה (TBC) 2018, שיש לו דרישות מחמירות יותר להתנגדות רוחבית וגמישות מבנית.

פסק דין תחולה: לא מומלץ. הקשיחות המבנית הנוכחית וההתנגדות הסיסמית אינם מספיקים כדי לעמוד בעומסי הסיסמיים והרוח הגבוהים של טונגה; יש לחזק משמעותית את קטעי הקורות-העמודים ומערכת החיזוק הצדדית, וצריכת הפלדה תגדל ב-30-40%.

 

 

תנאים סיסמיים: אזור סיסמי בינוני עם PGA של 0.20 גרם, מעט גבוה מה-0.15 גרם של מנילה.

עומס רוח: מהירות הרוח הבסיסית היא 50 מטר לשנייה (אזור מועד לציקלון-), גבוה יותר מ-45 מטר לשנייה של מנילה.

דרישות הקוד: עוקב אחר קוד הבנייה של צרפת מעבר לים (RTC) 2020, הדומה לתקנים האירופיים ויש לו דרישות מחמירות לעמידות מבנית ועמידות בפני רוח.

פסק דין תחולה: דורש שינוי. ניתן להתאים את העיצוב הנוכחי לאחר התאמות חלקיות: לחזק את מערכת החיזוק הצדדית, להגדיל את עובי אוגני העמודים -ב-2-3 מ"מ, ולהתאים את פרמטרי החישוב הסייסמיים; צריכת הפלדה תגדל ב-15-20%.

 

תנאים סיסמיים: אזור סיסמי גבוה עם PGA של 0.25-0.35 גרם, גבוה מה-0.15 גרם של מנילה; פעילות סיסמית היא תכופה ואינטנסיבית.

עומס רוח: מהירות הרוח הבסיסית היא 48-52 מ' לשנייה, מעט יותר מ-45 מ' לשנייה של מנילה.

דרישות קוד: מאמצת את קוד הבנייה הלאומי של פפואה גינאה החדשה (PNG NBC) 2015, המדגיש התנגדות סיסמית וגמישות מבנית עבור בניינים גבוהים-.

פסק דין תחולה: דורש שינוי. ההתאמות העיקריות כוללות: הגדלת גודל קטע העמודים-(במיוחד בקומות 1-2), הוספת סמכים רוחביים נוספים ואופטימיזציה של מערכת פיזור האנרגיה הסייסמית; צריכת הפלדה תגדל ב-25-30%.

 

 

תנאים סייסמיים: אחד מהאזורים הסיסמיים הגבוהים בעולם עם PGA של 0.40-0.50 גרם, העולה בהרבה על 0.15 גרם של מנילה; רעידות אדמה בעוצמה גדולה מתרחשות לעתים קרובות.

עומס רוח: מהירות הרוח הבסיסית היא 40-45 מ' לשנייה, בדומה ל-45 מ' לשנייה של מנילה.

דרישות קוד: עוקב אחר קוד הבנייה הצ'יליאני (NCh 433 Of. 2017), בעל תקני התכנון הסיסמיים המחמירים ביותר בעולם, הדורשים משיכות מבנית גבוהה ויכולת פיזור אנרגיה.

פסק דין תחולה: לא מומלץ. המערכת המבנית הנוכחית אינה יכולה לעמוד בדרישות הסיסמיות האולטרה-הגבוהות של צ'ילה; יש לעצב מחדש מערכת- סיסמית חדשה (כגון מסגרת פלדה-סד-מערכת מפזרת אנרגיה) וצריכת הפלדה תגדל ב-50% או יותר.

 

 

תנאים סיסמיים: אזור סיסמי גבוה עם PGA של 0.25-0.30 גרם, גבוה מה-0.15 גרם של מנילה; העוצמה הסיסמית משתנה לפי אזור (אזורי החוף חמורים יותר).

עומס רוח: מהירות הרוח הבסיסית היא 42-48 מ' לשנייה, מעט נמוכה או דומה ל-45 מ' לשנייה של מנילה.

דרישות קוד: מאמצת את קוד הבנייה הפרואני (E070) 2017, אשר כולל דרישות מחמירות לתכנון סיסמי ויציבות מבנית של בניינים גבוהים-.

פסק דין תחולה: דורש שינוי. ההתאמות העיקריות כוללות: חיזוק חיבורי הקורות העמודים-, הגדלת הקשיחות הרוחבית של המבנה וייעול חישוב העומס הסייסמי; צריכת הפלדה תגדל ב-20-25%.

 

 

אֵזוֹר	PGA סיסמי (g)	מהירות רוח בסיסית (מ/ש)	פסק דין תחולה	נדרשים שינויים עיקריים
מנילה (פיליפינים)	0.15	45	ישים לחלוטין	אַף לֹא אֶחָד
טונגה	0.30-0.40	55-60	לא מומלץ	תכנון מחדש מקיף של מערכת מבנית, גידול משמעותי בגודל החתך והידוק לרוחב
קלדוניה החדשה	0.20	50	דורש שינוי	חזקו את החיזוק הצידי, הגדל את עובי האוגן, התאם פרמטרים סיסמיים
פפואה גינאה החדשה	0.25-0.35	48-52	דורש שינוי	הגדל את גודל קטע עמודה-, הוסף פלטות לרוחב, ייעול מערכת פיזור אנרגיה
צ'ילה	0.40-0.50	40-45	לא מומלץ	תכנן מחדש מערכת עמידה-סיסמית, הוסף מפזרי אנרגיה, הגבר מאוד את הקשיחות המבנית
פרו	0.25-0.30	42-48	דורש שינוי	חיזוק חיבורי קורות עמודים-, הגדלת קשיחות רוחבית, אופטימיזציה של חישוב סיסמי

 

בהנחה של עמידה בקודים המקומיים של מנילה והבטחת בטיחות מבנית, ניתן לנקוט באמצעי האופטימיזציה הבאים כדי להפחית את צריכת הפלדה, לשפר את היעילות המבנית ולהפחית את עלויות הפרויקט, מבלי להשפיע על תפקוד הבניין ודרישות השטח.

 

 

עמודות: עבור הקומות ה-5-8 (אזור מגורים, עומס קטן), ניתן לבצע אופטימיזציה של קטע העמודים מ-H400×200×6×8 מ"מ ל-H350×180×6×8 מ"מ. בדיקת יחס המתח מראה שהקטע הממוטב עדיין יכול לעמוד בדרישות נושא העומס, ומפחית את צריכת הפלדה בכ-8% עבור עמודים אלו.

קורות: עבור הקורות שבין ציר B לציר C (טווח של 6.8 מ', עומס קטן), ניתן לייעל את החתך מ-H400×180×6×8 מ"מ ל-H350×180×6×8 מ"מ, להפחית את צריכת הפלדה בכ-6% עבור קורות אלו.

 

 

הפלטה האלכסונית הנוכחית מסודרת בכל 8 הקומות; ניתן לייעל אותם כדי להיות מסודרים במרווחים (כל 2 קומות) עבור הקומות 5-8 (אזור מגורים, עומס רוחבי קטן). התאמה זו יכולה להפחית את מספר הפלטות ב-50% בקומות העליונות, תוך הבטחת הקשיחות הצידית עונה על הדרישות, להפחית את צריכת הפלדה בכ-5% עבור מערכת ההידוק.

 

 

העיצוב הנוכחי מאמץ פלדה Q235B ו-Q355B; ניתן להחליף אותו בכל פלדה Q355B או בעוצמה גבוהה- עבור העמודים והקורות הראשיים (קומה ראשונה-4, עומס גדול). כך שניתן להקטין את גודל המקטע כראוי תוך שמירה על אותה יכולת נשיאת עומס. אופטימיזציה זו יכולה להפחית את צריכת הפלדה בכ-10-12% עבור החברים העיקריים.

 

 

עבור הקומות ה-5-7 (אזור מגורים), ניתן להפחית את עובי הבטון של לוח הרצפה המרוכב מ-120 מ"מ ל-100 מ"מ, ועובי סיפון הפלדה יכול להישמר ב-1.2 מ"מ. התאמה זו יכולה להפחית את העומס העצמי של הרצפה, ובכך להפחית את דרישות נשיאת העמודים והקורות, ובעקיפין להפחית את צריכת הפלדה בכ-3-4%.

 

 

לאחר אופטימיזציה מקיפה, ניתן להפחית את צריכת הפלדה הכוללת ב-15-20%, מ-200.65 טון המקוריים ל-160.52-170.55 טון. צריכת הפלדה היחידה תופחת ל-50.16-53.30 ק"ג/מ"ר, שהיא עדיין בטווח הסביר ויכולה להפחית ביעילות את עלויות הפרויקט תוך הבטחת בטיחות מבנית ועמידה בדרישות הקוד המקומי.

 

התכנון המבני של הבניין הרב-תכליתי בן 8-הקומות עומד בדרישות הקודים המקומיים של מנילה (NSCP 2015, PBC 2004) ודרישות העומס, עם צריכת פלדה כוללת של כ-200.65 טון וצריכת פלדה ליחידה של 62.7 ק"ג/מ"ר. עבור אזורים אחרים: זה ישים באופן מלא במנילה; דורש שינוי בקלדוניה החדשה, פפואה גינאה החדשה ופרו (עם עליות צריכת פלדה מקבילות); ואינו מומלץ בטונגה ובצ'ילה (בשל דרישות עומס סיסמי/רוח גבוהות במיוחד). באמצעות אופטימיזציה של מקטעים, החלפת חומרים והתאמת המערכת, ניתן להפחית את צריכת הפלדה ב-15-20% מבלי להשפיע על הבטיחות המבנית, שיש לה יתרונות כלכליים משמעותיים.