Thiết kế kết cấu khung thép cho khách sạn 4 tầng ở Papua New Guinea

 

Vị trí: Papua New Guinea

Vùng địa chấn: Cường độ địa chấn của8 độ(tương đương với PGA ≈ 0,3g dựa trên ASCE 7 hoặc mã địa phương tương tự)

Tải trọng gió: Tốc độ gió cơ bản =120 km/giờ (~33.3 m/s)

Tải tuyết: Không có

Sử dụng tòa nhà:

Cấp 1: Nhà để xe (chiều cao=3.8 m)

Cấp độ 2–4: Phòng khách của khách sạn (cao từ tầng-đến-tầng=3.7 m, 3,7 m và 3,4 m tương ứng)

Loại mái: Mái dốc đơn{0}}(độ dốc giả định=2% để thoát nước)

Tường ngoài: Khối bê tông rỗng phi cấu trúc (được xây dựng cục bộ;không chịu tải)

Hệ thống sàn: Sàn thép composite có lớp phủ bê tông đúc sẵn-tại chỗ{1}}(sẽ được chỉ định)

 

 

Tổng chiều dài tòa nhà: 80 m

Cấu hình gói:

Cánh Đông: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Cánh Tây: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Ghi chú: Kế hoạch làkhông-hình chữ nhật, có thể là hình chữ L{0}}hoặc bậc thang. Để phân tích kết cấu, tòa nhà được coi là hai khối được kết nối với nhau có thể có khe co giãn hoặc kết nối cứng tùy thuộc vào chi tiết địa chấn.

Kích thước vịnh điển hình: Giả sử khoảng cách cột là7,5 m theo chiều dọcVà6,0 m theo chiều ngang(có thể điều chỉnh theo đầu vào kiến ​​trúc).

 

 

Mã chính: AISC 360-16 (Đặc điểm kỹ thuật cho nhà kết cấu thép)

Thiết kế địa chấn: ASCE 7-16 (hoặc tương đương – thích ứng với địa chấn PNG)

Tải trọng gió: ASCE 7-16, Chương 27 (Quy trình định hướng)

Tiêu chuẩn vật liệu: ASTM A992 (dầm/cột), ASTM A36 (tấm, cấu kiện phụ)

 

 

 

Thành phần	Tải trọng (kN/m2)
Sàn thép + 125 mm Tấm bê tông (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Trần, MEP, Hoàn thiện	0.5
Tấm lợp (sàn kim loại + lớp cách nhiệt)	0.3
Tường khối rỗng (không-có kết cấu nhưng được áp dụng làm tải trọng dòng trên dầm)	~3,0 kN/m(mỗi mét chiều cao)

 

 

Mức độ	LL (kN/m2)	Thẩm quyền giải quyết
Tầng 1 (Bãi đậu xe)	2.5	ASCE 7
Cấp 2–4 (Khách sạn)	1.9	ASCE 7 (khu dân cư)
Mái nhà	0.5	Tải bảo trì

 

 

Tốc độ gió cơ bản:V = 33.3 m/s

Hạng mục tiếp xúc:C(giả sử địa hình ngoại ô/thành thị)

Hệ số gió giật:G = 0.85

Hệ số áp suất (Cp):

Tường (hướng gió):+0.8

Tường (leeward):–0.5

Mái nhà (độ dốc đơn{0}}):–0,9 đến –0,3(tùy khu vực)

Sử dụng phương trình ASCE 7. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Giả sử (K_z=0.85) ở độ cao trung bình- (~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 ]

Áp lực gió thiết kế:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Áp suất thành tối đa ≈0,33 kN/m2(hướng gió), lực hút ≈–0,21 kN/m2(thuận gió)

Ghi chú: Do mức tăng thấp (<15 m), wind governs lateral stability but seismic may control due to high seismicity.

 

 

Phản ứng quang phổ: Đối với vùng 8 độ, giả sửS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(ước tính thận trọng theo sự điều chỉnh cục bộ của ASCE 7)

Danh mục rủi ro: II

Hệ số R{0}} (khung mô men thép): R = 8(dành cho Khung khoảnh khắc đặc biệt – SMF)

Yếu tố quan trọng: (I_e = 1.0)

Thời kỳ cơ bản gần đúng:
[ T_a = C_t h_n^x = 0.028 × (14.6)^{0.8} ≈ 0.028 × 8.5 ≈ 0.24 s ]
(Tổng chiều cao (h_n=3.8 + 3×3,7 – 0.3=14.6) m xấp xỉ.)

Cắt cơ sở địa chấn:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5% tổng trọng lượng- đáng kể.

 

 

Diện tích sàn ≈ (55,6×27) + (25×41,7) ≈ 1501 + 1043 =2544 m²

3 lầu + mái ≈ 4 tầng

Trung bình DL + LL mỗi tầng ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m2

Tổng trọng lượng (W ≈ 2544 × 5,65 × 4 ≈57.500 kN

Lực cắt cơ sở (V ≈ 0,125 × 57.500 ≈7.200 kN

→ Địa chấn chi phối giócho thiết kế bên.

 

 

Hệ thống chống lực bên (LFRS):

Khung giằng đồng tâm đặc biệt (SCBF)hoặcKhung khoảnh khắc đặc biệt (SMF)

Với sự linh hoạt về kiến ​​trúc và nhu cầu về bãi đậu xe rộng rãi,SCBFđược ưu tiên vì tính hiệu quả và độ dẻo ở các vùng có địa chấn cao.

Hệ thống trọng lực:

Dầm tổ hợp(Hình chữ W{0}}có đinh chịu cắt + sàn kim loại + tấm bê tông)

Cột: tiết diện HSS hoặc W{0}}liên tục từ móng đến mái

Niềng răng: Thanh giằng X{0}}theo cả hai hướng tại lõi cầu thang/thang máy và chu vi nếu có thể

Mái nhà: Mái dốc đơn{0}}được đỡ bằng dầm mái dốc hoặc khung côn; xà gồ ở trên.

 

 

6.1 Dầm sàn (Nội thất điển hình)

Khoảng cách: 7,5 m

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

Mô men cực đại: (M=wL^2/8=30.9 × 7,5^2 / 8 ≈ 217 kN·m)

Mô-đun tiết diện bắt buộc: (Z_x Lớn hơn hoặc bằng M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

Phần thử nghiệm: W410×60(Zₓ=773×10³ mm³, OK)

6.2 Dầm biên (có tải trọng tường)

Tải trọng tường bổ sung: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

Tổng w ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 Cột (Nội thất, 4 tầng)

Diện tích nhánh: 7,5 m × 6,0 m=45 m2

Tải trọng trục mỗi tầng: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

Tổng P ≈ 4 × 232 =928 kN

Thêm 20% cho hiệu ứng trục địa chấn →P_u ≈ 1.115 kN

Chiều dài hiệu dụng (KL ≈ 0,8 × 3700=2,960 mm)

Sự thử nghiệm:W250×73(A=9,290 mm², r=119 mm → KL/r ≈ 25 → φPₙ ≈ 0,9×345×9290 ≈2.880 kN >>1.115 kN → OK)

Sử dụng W250×67 hoặc HSS203×203×9.5 để tiết kiệm

6.4 Thành viên giằng (SCBF)

Giả sử giằng ở 2 vịnh mỗi hướng

Sức cắt tầng địa chấn mỗi vịnh ≈ 7.200 / (số khung giằng)

Giả sử 4 khung giằng ở mỗi hướng → ~900 kN mỗi khung

Lực chéo: (F=V / sinθ); θ=45 độ → F ≈ 900 / 0,707 ≈1.270 kN

Bắt buộc A_g Lớn hơn hoặc bằng 1.270.000 / (0,9×345) ≈4.090 mm2

Sự thử nghiệm: HSS152×152×9.5(A=5,200 mm², chấp nhận được cho độ căng/nén với kiểm tra độ mảnh)

 

 

Sàn kim loại: Conform® 2.0 hoặc Bondek®(độ sâu biên dạng=60 mm)

Tấm bê tông: dày 125 mm, f'c=25 MPa

cắt đinh: Đường kính 19 mm × chiều cao 100 mm, cách nhau tại300 mm ocdọc theo dầm

Hành động tổng hợp: Tương tác đầy đủ được giả định theo AISC 360 Chương I

 

 

Yêu cầu báo cáo đất– giả sử khả năng chịu lực vừa phải (150 kPa)

Phản ứng cột: Tối đa ~1.200 kN → kích thước móng ≈ √(1.200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 mmóng bị cô lập

Neo địa chấn: Thanh neo được thiết kế để nâng và cắt theo ACI 318

 

 

Chùm-sang-Cột: Các tấm cuối được bắt vít hoặc các kết nối mômen hàn (nếu sử dụng SMF)

Nẹp-vào-Gusset: Phương pháp tiết diện Whitmore theo Điều khoản địa chấn của AISC

Hỗ trợ boong: Ổ trục đơn giản trên mặt bích đỉnh dầm

 

 

Mục	Đặc điểm kỹ thuật
LFRS	Khung giằng đồng tâm đặc biệt (SCBF)
Dầm trọng lực	W410×60 (nội thất), W460×74 (cạnh)
Cột	W250×67 hoặc HSS203×203×9.5
Niềng răng	HSS152×152×9.5
Sàn sàn	Sàn kim loại composite sâu 60 mm bê tông + 125 mm
Cắt cơ sở địa chấn	~7.200 kN (thiết kế điều chỉnh)
Áp lực gió	~0,33 kN/m² (không-chi phối)
Độ dốc mái	Độ dốc đơn 2%, được đỡ bằng xà dốc

 

 

Thuê kỹ sư địa kỹ thuật địa phương để báo cáo đất.

Phối hợp với kiến ​​trúc sư để bố trí các khung giằng không cản trở bãi đậu xe hoặc các phòng.

Sử dụng hệ thống sơn chống ăn mòn-(môi trường C4 theo ISO 12944 – ven biển PNG).

Cung cấp các khớp chuyển động nếu cánh đông/tây bị lệch đáng kể.

Thực hiện phân tích cấu trúc 3D chi tiết bằng phần mềm (ví dụ: ETABS, SAP2000) bao gồm các hiệu ứng P-Δ.

 

 

 

Ước tính trọng tải thép này bao gồm các thành phần thép kết cấu chính và phụ cần thiết cho hệ thống chịu trọng lực và tải trọng ngang-của khách sạn 4 tầng, bao gồm:

Cột (từ móng tới mái)

Dầm sàn và mái (thiết kế composite)

Cấu kiện giằng (Khung giằng đồng tâm đặc biệt – SCBF)

Khung mái ( kèo dốc và xà gồ )

Kết nối (ước tính bằng 5% trọng lượng thành viên chính)

Đã loại trừ:

Sàn kim loại (được coi là-hỗ trợ tấm ốp/tấm phi cấu trúc)

Thanh neo, tấm đế (đã bao gồm trong phụ cấp kết nối)

Cầu thang, lan can, thép các loại

 

 

Sơ đồ xây dựng bao gồm hai khối được kết nối:

Khối Đông: 55.6 m × 27 m

Khối phía Tây: 25 m × 41.7 m
→ Tổng dấu chân ≈2,544 m²

Lưới cột điển hình:7,5 m (dọc) × 6,0 m (ngang)

Số lượng cột:

Khối phía Đông: (55,6/7,5 ≈ 8 vịnh → 9 dòng) × (27/6 ≈ 4,5 → 5 dòng) =45 cột

Khối phía Tây: (25/7,5 ≈ 3,3 → 4 dòng) × (41,7/6 ≈ 7 → 8 dòng) =32 cột

Khấu trừ chồng chéo tại ngã ba (~5 cột chia sẻ) →Tổng số cột ≈ 72

Số tầng: 4 tầng (bao gồm cả mái)

Khung giằng: 2 khung mỗi hướng mỗi khối →Tổng cộng 8 vịnh giằng

Độ dốc mái: 2%, được đỡ bằng dầm nghiêng; không có giàn

 

 

Do tính chất của dự án là nhà ở công cộng, chúng tôi quyết định gia cố toàn bộ hệ thống kết cấu để tạo ra một tòa nhà vững chắc với tuổi thọ sử dụng trên 100 năm. Để đạt được điều này, chúng tôi đã thay thế các cột thông thường bằng các cột thép tiết diện-hộp và đổ bê tông-tại công trường, nâng cao đáng kể cường độ kết cấu tổng thể.

 

 

Phần:Loại hộp 400X400x12x12mm(khối lượng=146.2 kg/m)

Chiều cao mỗi cột:

Cấp 1: 3,8 m

Tầng 2–3: mỗi tầng 3,7 m

Cấp 4: 3,4 m
→ Tổng chiều cao =14.6 m

Tổng chiều dài cột=72 × 14.6 =1,051 m

Trọng lượng cột=1,051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 tấn

Lưu ý: Cột tầng trệt có thể nặng hơn; đây là mức trung bình

 

 

Dầm nội thất: WH500X290X10X16mm (khối lượng=109.6 kg/m)

Khoảng cách: 7,5 m

Số lượng mỗi tầng:

Khối phía Đông: 5 đường ngang × 8 vịnh dọc=40

Khối phía Tây: 8 đường ngang × 3 vịnh dọc=24
→ 64 dầm nội thất mỗi tầng

Tổng cộng 3 tầng + khung mái=4 × 64 =256 dầm

Độ dài=256 × 7.5 =1,920 m

Trọng lượng=1,920 × 109.6=210.432 kg

Dầm biên/chu vi: WH600X200X12X12mm (khối lượng=92 kg/m)

Chiều dài chu vi mỗi tầng ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – chồng lên nhau ≈290 m/sàn

Giả sử dầm cạnh cách nhau 6 m → ~48 dầm cạnh mỗi tầng

Tổng cộng=4 × 48 =192 dầm, trung bình nhịp=6.0 m

Độ dài=192 × 6 =1,152 m

Trọng lượng=1,152 × 92=105.984 kg

Tổng trọng lượng chùm tia = 210,432 + 105,984 = 316.416 kg ≈ 316,4 tấn

 

 

Phần:HSS152×152×9.5(khối lượng=42.5 kg/m)

Các vịnh giằng: tổng cộng 8 (4 ở E-W, 4 ở N-S)

Mỗi vịnh có 2 đường chéo mỗi tầng → 4 tầng × 2 =8 đường chéo trên mỗi đường khung giằng

Tổng số đường chéo=8 khung × 8 =64 niềng răng

Trung bình chiều dài đường chéo (đối với vịnh 7,5 m × 3,7 m ở 45 độ):
( L=\\sqrt{7.5^2 + 3.7^2} ≈ 8.4 m )

Tổng chiều dài nẹp=64 × 8.4 =538 m

Trọng lượng nẹp=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 tấn

 

 

Xà nhà chính theo hình dạng mái dốc đơn; sử dụngW310×45(45 kg/m)

Khoảng cách: 3,0 m oc (để đỡ xà gồ)

Tổng diện tích mái=2,544 m2 → chiều dài kèo ≈ chiều rộng tòa nhà (tối đa 41,7 m)

Số xà ≈ 80 m / 3.0 ≈27 dòng

Trung bình chiều dài kèo=35 m (trung bình có chiều rộng đông/tây)

Tổng chiều dài kèo=27 × 35 =945 m

Trọng lượng kèo=945 × 45 =42.525 kg

xà gồ: C200×20×2.5 (5.5 kg/m), cách nhau 1.5 m oc

Tổng chiều dài xà gồ ≈ (2.544 m2 / khoảng cách 1,5 m) × 1,0 m =1,696 m

Trọng lượng=1,696 × 5.5 =9.328 kg

Tổng số thép mái = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 tấn

 

 

Thực hành tiêu chuẩn:5%tổng trọng lượng thành viên chính

Tổng số thành viên chính=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 tấn

Kết nối=0.05 × 533,900 =27.245 kg ≈ 27,3 tấn

 

 

Thành phần	Trọng lượng (tấn)
Cột	153.7
Dầm sàn & cạnh	316.4
Niềng răng (SCBF)	22.9
Khung mái (Rau + Xà gồ)	51.9
Kết nối (5%)	27.3
Tổng kết cấu thép ước tính	572,2 tấn

 

 

Tổng diện tích sàn =2,544 m²

Thép trên một đơn vị diện tích=572.2 t / 2.544 m² =225 kg/m2

Điều này là hợp lý đối với tòa nhà thép chống địa chấn 4-tầng{2}}có khung giằng ở khu vực có địa chấn cao.

 

 

Tiềm năng tối ưu hóa: Việc sử dụng các vịnh lớn hơn hoặc giảm hệ thống giằng có thể làm giảm trọng tải, nhưng nhu cầu địa chấn ở PNG đã hạn chế việc giảm bớt.

Chế tạo địa phương: Xem xét tính khả dụng của phần tiêu chuẩn ở PNG hoặc Úc (giả sử là các phần phổ biến như hình dạng W{0}}và HSS).

Bảo vệ chống ăn mòn: Toàn bộ thép được sử dụng hệ thống mạ kẽm nhúng nóng-hoặc sơn hai mặt do môi trường nhiệt đới ven biển.

dự phòng: Thêm vào5–10%để phát triển thiết kế, thay đổi kiến ​​trúc hoặc nêu chi tiết những điểm thiếu hiệu quả →Dự toán ngân sách cuối cùng: ~615–700 tấn. Nếu thêm một số cầu thang và kết cấu cho thang máy thì tổng thể sẽ khoảng650~750 tấntrong trận chung kết.

Chuẩn bị bởi: Công ty TNHH Xây dựng Hàng Châu Xixi.
Ngày: 16 tháng 1 năm 2026
Cơ sở: AISC 360-16, bố cục sơ bộ, giả định địa chấn ASCE 7-16