التصميم والتحليل الهيكلي لمبنى جاهز متعدد الوظائف مكون من 8 طوابق لعميل فلبيني

التصميم والتحليل الهيكلي لمبنى متعدد الوظائف مكون من 8 طوابق لعميل فلبيني

 

 

هذا المشروع عبارة عن مبنى متعدد الوظائف مكون من 8 طوابق يقع في مانيلا، الفلبين، بأبعاد إجمالية تبلغ 20 م × 20 م. تم تصميم ارتفاع كل طابق على النحو التالي: الطابق الأول (موقف السيارات) بالإضافة إلى الميزانين بإجمالي 6 أمتار؛ الطابق الثاني (المستودع) بارتفاع 6 أمتار. الطابقين الثالث والرابع (مناطق المكاتب) بمساحة 4.5 م و 3.4 م على التوالي؛ الطوابق من الخامس إلى السابع (المناطق السكنية) يبلغ ارتفاع كل منها 3.4 متر؛ الطابق الثامن (مساحة عامة على السطح) بالإضافة إلى ارتفاع السقف 2.8 م. لتحسين المساحة، تم ترتيب 3 صفوف فقط من الأعمدة الهيكلية: المحور A به 4 أعمدة إجمالاً، والمسافة بين المحور A والمحور B هي 13.2 م، والمسافة بين المحور B والمحور C 6.8 م. تبلغ المسافة بين الأعمدة الأربعة على المحور A 5.9 م (محور 1-2)، و8.2 م (محور 2-3)، و5.9 م (محور 3-4) على التوالي.

 

 

 

القانون الهيكلي الوطني للفلبين (NSCP) 2015: يحكم التصميم الهيكلي العام، وحساب الأحمال، وأداء المواد، ومتطلبات السلامة.

قانون البناء الفلبيني (PBC) 2004: ينظم استخدام المباني، والسلامة من الحرائق، والمتانة الهيكلية المقابلة للمباني متعددة الوظائف (مواقف السيارات، والمستودعات، والمكاتب، والسكنية، والأماكن العامة).

معايير التصميم الزلزالي: تقع مانيلا في منطقة زلزالية معتدلة مع ذروة تسارع أرضي (PGA) يبلغ 0.15 جم؛ يعتمد التصميم الهيكلي شدة زلزالية 7 (0.15 جم) للتحقق من مقاومة الزلازل.

معايير حمل الرياح: سرعة الرياح الأساسية في مانيلا هي 45 م/ث (الفئة 3)؛ يتبع حساب حمل الرياح الفصل 28 من NSCP 2015، مع الأخذ في الاعتبار توزيع ضغط الرياح ومعامل مقاومة الرياح الهيكلية.

 

 

الحمولة الميتة (DL): وفقًا لـ NSCP 2015، جنبًا إلى جنب مع وظيفة المبنى: السقف (2.5 كيلو نيوتن / م²)، الطابق السكني (2.0 كيلو نيوتن / م²)، أرضية المكاتب (2.5 كيلو نيوتن / م²)، أرضية المستودعات (5.0 كيلو نيوتن / م²)، موقف السيارات (4.0 كيلو نيوتن / م²)، الميزانين (3.0 كيلو نيوتن / م²)؛ يتم حساب الوزن الذاتي- لأعضاء الهيكل الفولاذي بناءً على حجم القسم الفعلي.

الحمل المباشر (LL): المنطقة السكنية (2.5 كيلو نيوتن/م²)، منطقة المكاتب (3.0 كيلو نيوتن/م²)، المستودع (10.0 كيلو نيوتن/م²)، ساحة انتظار السيارات (2.5 كيلو نيوتن/م² لكل مركبة، بالإضافة إلى 1.0 كيلو نيوتن/م² للمشاة)، المساحة العامة على السطح (2.0 كيلو نيوتن/م²).

الحمل الزلزالي (EL): يتم حسابه باستخدام طريقة طيف الاستجابة، مع الأخذ في الاعتبار توزيع الكتلة الهيكلية، وخصائص الصلابة، ونسبة التخميد (0.05 للهياكل الفولاذية).

حمل الرياح (WL): يتم حسابه كضغط الرياح (ث=0.613 × V²، V=45 م/ث) ويتم توزيعه على كل طابق وفقًا للارتفاع والشكل الهيكلي؛ يتم فحص الاهتزاز الناتج عن الرياح-للأجزاء المرتفعة-(من 5 إلى 8 طوابق).

الأحمال الأخرى: لا يؤخذ في الاعتبار حمل الثلوج (مانيلا منطقة استوائية)؛ تم تضمين الأحمال الثانوية الناجمة عن الزلزال - (مثل تأثير P-Δ) وإجهاد درجة الحرارة في فحص التصميم.

 

 

مع الأخذ في الاعتبار وظيفة البناء، ومتطلبات المساحة، ومتطلبات الكود المحلي، تم اعتماد هيكل إطار فولاذي، والذي يتميز بمزايا الوزن الخفيف، القوة العالية، الليونة الجيدة، والبناء السريع. الترتيب الهيكلي المحدد هو كما يلي:

الأعمدة: يتم استخدام كمرات H من الصلب؛ يتم تحديد أقسام العمود وفقًا لقدرة التحمل-لكل طابق. تعتمد الطوابق الأول والثاني (مواقف السيارات + المستودع) على ارتفاع 600×250×8×12 مم بسبب الحمولة الكبيرة؛ الطوابق من الثالث إلى الرابع (المكتب) تعتمد الارتفاع 500×200×7×10 مم؛ الطوابق من الخامس إلى الثامن (السكني + السطح) تعتمد الارتفاع 400×200×6×8 مم.

العوارض: يتم استخدام العوارض الفولاذية -لعوارض الأرضية وعوارض السقف. تعتمد العوارض بين المحور A والمحور B (امتداد 13.2 م) على ارتفاع 500 × 200 × 7 × 10 مم (من الطابق الأول إلى الثاني) وارتفاع 450 × 180 × 6 × 9 مم (من الطابق الثالث إلى الثامن)؛ تعتمد الحزم بين المحور B والمحور C (امتداد 6.8 م) على ارتفاع 400 × 180 × 6 × 8 مم (جميع الطوابق)؛ تعتمد عوارض الميزانين H300×150×6×8 مم.

بلاطة الأرضية: تم اعتماد بلاطة أرضية مركبة (سطح فولاذي + خرسانة)، بسماكة خرسانية 120 مم (سكنية/مكتبية)، 150 مم (مستودع/مواقف سيارات)، و100 مم (ميزانين/سقف)؛ نموذج السطح الفولاذي هو B-120، بسمك 1.2 ملم.

نظام المقاومة الجانبية: يوفر الإطار الفولاذي نفسه صلابة جانبية؛ بالإضافة إلى ذلك، يتم ترتيب الأقواس القطرية في زوايا المبنى (المحور A-1، A-4، C-1، C-4) لتعزيز المقاومة الجانبية ضد أحمال الرياح والزلازل.

 

 

يشمل استهلاك الفولاذ جميع الأعضاء الهيكلية الرئيسية: الأعمدة، والكمرات، والأسطح الفولاذية للأرضيات، والأقواس القطرية، ومكونات التوصيل (البراغي، ومواد اللحام، وما إلى ذلك). يتم إضافة بدل 10% لمكونات التوصيل (البراغي، واللحام، وما إلى ذلك) على أساس وزن الأعضاء الرئيسية، وهو ما يتماشى مع معيار الحساب التقليدي لمشاريع الهياكل الفولاذية.

 

 

المكون الهيكلي	مواصفة	كمية	وزن الوحدة (كجم/م)	الطول الإجمالي (م)	الوزن الإجمالي (كجم)
الأعمدة (الطوابق الأول – الثاني)	H600×250×8×12	12 (3 صفوف × 4 أعمدة)	118.5	144 (12 عمودًا × 12 مترًا ارتفاعًا إجماليًا للطابقين الأول والثاني)	17064
الأعمدة (الطوابق من الثالث إلى الرابع)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 عمودًا × 7.5 م إجمالي الارتفاع للطوابق من الثالث إلى الرابع)	7587
الأعمدة (الطوابق من الخامس إلى الثامن)	H400×200×6×8	12	62.1	134.4 (12 عمودًا × 11.2 مترًا إجمالي ارتفاع للطوابق من الخامس إلى الثامن)	8346.24
الكمرات (المحور -B، الطوابق الأول والثاني)	H500×200×7×10	24 (4 امتدادات × 6 طوابق، الطوابق الأول والثاني)	84.3	316.8 (24 شعاعًا × 13.2 مترًا)	26706.24
الكمرات (المحور A-B، الطوابق من الثالث إلى الثامن)	H450×180×6×9	48 (4 امتدادات × 12 طابقًا، من الطابق الثالث إلى الثامن)	70.2	633.6 (48 شعاعًا × 13.2 مترًا)	44478.72
الكمرات (المحور B-C، جميع الطوابق)	H400×180×6×8	72 (4 امتدادات × 18 طابقًا، جميعها 8 طوابق)	58.5	489.6 (72 شعاعًا × 6.8 مترًا)	28641.6
عوارض الميزانين	H300×150×6×8	12 (4 امتدادات × 3 صفوف)	40.2	120 (12 شعاع × 10 متر متوسط ​​المدى)	4824
الأقواس القطرية	H200×150×6×8	32 (4 زوايا × 8 طوابق)	30.1	179.2 (32 دعامة × 5.6 م متوسط ​​الطول)	5393.92
سطح من الصلب	ب-120 (1.2 ملم)	1 مجموعة (جميع الطوابق)	12 كجم/م²	2880 م² (20 م × 20 م × 7.2 طوابق، باستثناء السقف)	34560
سطح السقف الصلب	ب-120 (1.2 ملم)	1 مجموعة	12 كجم/م²	400 m² (20m×20m)	4800
إجمالي الأعضاء الرئيسيين	-	-	-	-	182407.72
بدل التوصيل (10%)	-	-	-	-	18240.77
إجمالي استهلاك الصلب	-	-	-	-	200648.49 كجم (≈200.65 طن)

 

إجمالي استهلاك الفولاذ: حوالي 200.65 طن متري (بما في ذلك 10% بدل التوصيل).

استهلاك الوحدة من الحديد: 200.65 طن / (20 م × 20 م × 8 طوابق)=62.7 كجم/ م² (محسوب على أساس المساحة الأرضية الإجمالية 3200 م²).

يقع استهلاك وحدة الفولاذ ضمن النطاق المعقول (60-80 كجم/م²) للمباني متعددة الوظائف ذات الهيكل الفولاذي، وهو ما يتوافق مع معايير التصميم للمشاريع المماثلة في مانيلا.

 

 

يقوم التحليل التالي بتقييم إمكانية تطبيق التصميم الهيكلي الحالي (استنادًا إلى قوانين مانيلا المحلية) في الأسواق الرئيسية لـ CBC مثل تونغا وكاليدونيا الجديدة وبابوا غينيا الجديدة وتشيلي وبيرو، مع التركيز على الاختلافات في متطلبات الزلازل المحلية وحمل الرياح ومتطلبات كود البناء.

 

 

الظروف الزلزالية: تقع تونغا في منطقة زلزالية عالية (حلقة النار في المحيط الهادئ) مع معدل PGA يبلغ 0.30-0.40 جرام، وهو أعلى بكثير من 0.15 جرام في مانيلا.

حمل الرياح: سرعة الرياح الأساسية هي 55-60 م/ث (منطقة الإعصار)، وهي أعلى بكثير من سرعة الرياح في مانيلا البالغة 45 م/ث.

متطلبات الكود: يتوافق مع قانون البناء في تونغا (TBC) 2018، والذي يتضمن متطلبات أكثر صرامة للمقاومة الجانبية والمرونة الهيكلية.

حكم التطبيق: غير مستحسن. إن الصلابة الهيكلية الحالية والمقاومة الزلزالية غير كافية لتحمل الأحمال الزلزالية والرياح العالية في تونغا؛ يجب تقوية أقسام عارضة العمود- ونظام التثبيت الجانبي بشكل كبير، وسيزيد استهلاك الفولاذ بنسبة 30-40%.

 

 

الظروف الزلزالية: منطقة زلزالية معتدلة مع PGA يبلغ 0.20 جرام، أعلى قليلاً من 0.15 جرام في مانيلا.

حمل الرياح: تبلغ سرعة الرياح الأساسية 50 م/ث (المنطقة المعرضة للأعاصير الاستوائية)، وهي أعلى من سرعة الرياح في مانيلا البالغة 45 م/ث.

متطلبات الكود: يتبع قانون البناء في أقاليم ما وراء البحار الفرنسية (RTC) 2020، والذي يشبه المعايير الأوروبية وله متطلبات صارمة للمتانة الهيكلية ومقاومة الرياح.

حكم التطبيق: يتطلب التعديل. يمكن تكييف التصميم الحالي بعد التعديلات الجزئية: تقوية نظام التدعيم الجانبي، وزيادة سمك حواف عارضة العمود - بمقدار 2-3 مم، وضبط معلمات الحساب الزلزالي؛ سيزيد استهلاك الفولاذ بنسبة 15-20%.

 

الظروف الزلزالية: منطقة زلزالية عالية مع PGA يبلغ 0.25-0.35 جم، أعلى من 0.15 جم في مانيلا؛ النشاط الزلزالي متكرر ومكثف.

حمل الرياح: سرعة الرياح الأساسية هي 48-52 م/ث، وهي أعلى قليلاً من سرعة الرياح في مانيلا البالغة 45 م/ث.

متطلبات الكود: اعتماد قانون البناء الوطني لبابوا غينيا الجديدة (PNG NBC) لعام 2015، والذي يؤكد على المقاومة الزلزالية والمرونة الهيكلية للمباني الشاهقة-.

حكم التطبيق: يتطلب التعديل. تتضمن التعديلات الرئيسية ما يلي: زيادة حجم قسم عمود العمود- (خصوصًا الطابقين الأول والثاني)، وإضافة المزيد من الأقواس الجانبية، وتحسين نظام تبديد الطاقة الزلزالية؛ سيزيد استهلاك الفولاذ بنسبة 25-30%.

 

 

الظروف الزلزالية: واحدة من أعلى المناطق الزلزالية في العالم حيث يبلغ PGA 0.40-0.50 جرام، وهو ما يتجاوز بكثير 0.15 جرام في مانيلا؛ تحدث الزلازل ذات القوة الكبيرة بشكل متكرر.

حمل الرياح: سرعة الرياح الأساسية هي 40-45 م/ث، مماثلة لسرعة الرياح في مانيلا التي تبلغ 45 م/ث.

متطلبات الكود: يتبع قانون البناء التشيلي (NCh 433 Of. 2017)، الذي يتمتع بمعايير التصميم الزلزالي الأكثر صرامة في العالم، ويتطلب ليونة هيكلية عالية وقدرة على تبديد الطاقة.

حكم التطبيق: غير مستحسن. لا يمكن للنظام الهيكلي الحالي تلبية متطلبات تشيلي-الزلزالية العالية جدًا؛ يجب إعادة تصميم نظام جديد مقاوم للزلازل- (مثل الإطار الفولاذي-نظام تبديد الطاقة-الدعامة) وسيزيد استهلاك الفولاذ بنسبة 50% أو أكثر.

 

 

الظروف الزلزالية: منطقة زلزالية عالية مع PGA يبلغ 0.25-0.30 جم، أعلى من 0.15 جم في مانيلا؛ تختلف شدة الزلازل حسب المنطقة (المناطق الساحلية أكثر خطورة).

حمل الرياح: سرعة الرياح الأساسية هي 42-48 م/ث، وهي أقل قليلاً من أو تشبه سرعة الرياح في مانيلا البالغة 45 م/ث.

متطلبات الكود: يعتمد قانون البناء البيروفي (E070) 2017، والذي يتضمن متطلبات صارمة للتصميم الزلزالي والاستقرار الهيكلي للمباني الشاهقة-.

حكم التطبيق: يتطلب التعديل. تتضمن التعديلات الرئيسية ما يلي: تقوية وصلات شعاع العمود-، وزيادة الصلابة الجانبية للهيكل، وتحسين حساب الحمل الزلزالي؛ سيزيد استهلاك الفولاذ بنسبة 20-25%.

 

 

منطقة	PGA الزلزالية (ز)	سرعة الرياح الأساسية (م/ث)	حكم قابلية التطبيق	التعديلات الرئيسية المطلوبة
مانيلا (الفلبين)	0.15	45	قابل للتطبيق بالكامل	لا أحد
تونغا	0.30-0.40	55-60	غير مستحسن	إعادة تصميم شاملة للنظام الهيكلي، وزيادة كبيرة في حجم القسم والتدعيم الجانبي
كاليدونيا الجديدة	0.20	50	يتطلب التعديل	تقوية الدعامات الجانبية، وزيادة سمك الحافة، وضبط المعلمات الزلزالية
بابوا غينيا الجديدة	0.25-0.35	48-52	يتطلب التعديل	زيادة حجم قسم عارضة العمود- وإضافة الأقواس الجانبية وتحسين نظام تبديد الطاقة
شيلي	0.40-0.50	40-45	غير مستحسن	إعادة تصميم النظام المقاوم للزلازل-، وإضافة مبددات الطاقة، وزيادة الصلابة الهيكلية بشكل كبير
بيرو	0.25-0.30	42-48	يتطلب التعديل	تقوية وصلات شعاع العمود-، وزيادة الصلابة الجانبية، وتحسين الحساب الزلزالي

 

على أساس تلبية القواعد المحلية لمانيلا وضمان السلامة الهيكلية، يمكن اتخاذ تدابير التحسين التالية لتقليل استهلاك الفولاذ، وتحسين الكفاءة الهيكلية، وتقليل تكاليف المشروع، دون التأثير على وظيفة المبنى ومتطلبات المساحة.

 

 

الأعمدة: بالنسبة للطابق الخامس-الثامن (منطقة سكنية، حمل صغير)، يمكن تحسين قسم العمود من الارتفاع 400×200×6×8 ملم إلى الارتفاع 350×180×6×8 ملم. يوضح فحص نسبة الإجهاد أن القسم الأمثل لا يزال قادرًا على تلبية متطلبات الحمل، مما يقلل من استهلاك الفولاذ بحوالي 8% لهذه الأعمدة.

الكمرات: بالنسبة للكمرات الموجودة بين المحور B والمحور C (امتداد 6.8 م، حمل صغير)، يمكن تحسين القسم من الارتفاع 400×180×6×8 مم إلى الارتفاع 350×180×6×8 مم، مما يقلل من استهلاك الفولاذ بحوالي 6% لهذه الكمرات.

 

 

تم ترتيب الأقواس القطرية الحالية في جميع الطوابق الثمانية؛ يمكن تحسينها بحيث يتم ترتيبها على فترات (كل طابقين) للطوابق من الخامس إلى الثامن (منطقة سكنية، حمل جانبي صغير). يمكن أن يؤدي هذا التعديل إلى تقليل عدد الدعامات بنسبة 50% للطوابق العليا، مع ضمان تلبية الصلابة الجانبية للمتطلبات، مما يقلل من استهلاك الفولاذ بحوالي 5% لنظام الدعامات.

 

 

التصميم الحالي يعتمد الفولاذ Q235B وQ355B؛ يمكن استبداله بجميع أنواع الفولاذ Q355B أو الفولاذ عالي القوة-للأعمدة والكمرات الرئيسية (الطابق الأول-الطابق الرابع، حمولة كبيرة). لذلك يمكن تقليل حجم القسم بشكل مناسب مع الحفاظ على نفس قدرة الحمل. يمكن أن يؤدي هذا التحسين إلى تقليل استهلاك الفولاذ بحوالي 10-12% للأعضاء الرئيسيين.

 

 

بالنسبة للطابق الخامس-7 (المنطقة السكنية)، يمكن تقليل سمك الخرسانة لبلاطة الأرضية المركبة من 120 مم إلى 100 مم، ويمكن الحفاظ على سمك السطح الفولاذي عند 1.2 مم. يمكن أن يؤدي هذا التعديل إلى تقليل الحمل الساكن للأرضية، وبالتالي تقليل متطلبات حمل الأعمدة والكمرات، وتقليل استهلاك الفولاذ بشكل غير مباشر بحوالي 3-4%.

 

 

بعد التحسين الشامل، يمكن تقليل إجمالي استهلاك الفولاذ بنسبة 15-20%، من 200.65 طن الأصلي إلى 160.52-170.55 طن. سيتم تخفيض استهلاك الوحدة الفولاذية إلى 50.16-53.30 كجم/م2، وهو ما لا يزال ضمن النطاق المعقول ويمكن أن يقلل بشكل فعال من تكاليف المشروع مع ضمان السلامة الهيكلية وتلبية متطلبات الكود المحلي.

 

يلبي التصميم الهيكلي للمبنى متعدد الوظائف المكون من 8-الطوابق متطلبات القوانين المحلية لمانيلا (NSCP 2015، PBC 2004) ومتطلبات الحمولة، مع إجمالي استهلاك فولاذ يبلغ حوالي 200.65 طن واستهلاك وحدة فولاذ يبلغ 62.7 كجم/م². بالنسبة للمناطق الأخرى: ينطبق بشكل كامل في مانيلا؛ ويتطلب التعديل في كاليدونيا الجديدة، وبابوا غينيا الجديدة، وبيرو (مع زيادة مقابلة في استهلاك الصلب)؛ ولا يوصى به في تونغا وتشيلي (بسبب متطلبات حمل الزلازل/الرياح العالية جدًا). من خلال تحسين القسم، واستبدال المواد، وتعديل النظام، يمكن تقليل استهلاك الفولاذ بنسبة 15-20% دون التأثير على السلامة الهيكلية، الأمر الذي له فوائد اقتصادية كبيرة.