Projeto estrutural e análise de edifício pré-fabricado multifuncional de 8 andares para cliente filipino

Projeto estrutural e análise de edifício multifuncional de 8 andares para cliente filipino

 

 

Este projeto é um edifício multifuncional de 8 andares localizado em Manila, Filipinas, com dimensão total de 20m × 20m. A altura de cada piso é calculada da seguinte forma: 1º piso (estacionamento) mais mezanino totalizando 6m; o 2º andar (armazém) tem 6m de altura; os 3º e 4º pisos (áreas de escritórios) têm 4,5m e 3,4m respectivamente; os andares 5º a 7º (áreas residenciais) têm 3,4m de altura cada; o 8º andar (espaço público na cobertura) mais a altura da cobertura é de 2,8m. Para otimização do espaço, apenas 3 fileiras de pilares estruturais são dispostas: o Eixo A possui 4 pilares no total, o espaçamento entre o Eixo A e o Eixo B é de 13,2m e o espaçamento entre o Eixo B e o Eixo C é de 6,8m. O espaçamento entre as 4 colunas no Eixo A é de 5,9m (eixo 1-2), 8,2m (eixo 2-3) e 5,9m (eixo 3-4), respectivamente.

 

 

 

Código Estrutural Nacional das Filipinas (NSCP) 2015: Rege o projeto estrutural geral, cálculo de carga, desempenho do material e requisitos de segurança.

Código de Construção das Filipinas (PBC) 2004: Regula o uso de edifícios, segurança contra incêndio e durabilidade estrutural correspondente a edifícios multifuncionais (estacionamento, armazém, escritórios, residenciais, espaços públicos).

Critérios de Projeto Sísmico: Manila está localizada em uma zona sísmica moderada com um Pico de Aceleração do Solo (PGA) de 0,15g; o projeto estrutural adota intensidade sísmica 7 (0,15g) para verificação anti{3}}sísmica.

Critérios de Carga do Vento: A velocidade básica do vento em Manila é de 45 m/s (Categoria 3); o cálculo da carga do vento segue o Capítulo 28 do NSCP 2015, considerando a distribuição da pressão do vento e o coeficiente estrutural de resistência ao vento.

 

 

Carga morta (DL): Conforme NSCP 2015, combinada com a função do edifício: cobertura (2,5 kN/m²), piso residencial (2,0 kN/m²), piso de escritórios (2,5 kN/m²), piso de armazém (5,0 kN/m²), estacionamento (4,0 kN/m²), mezanino (3,0 kN/m²); O peso-próprio dos membros da estrutura de aço é calculado com base no tamanho real da seção.

Carga móvel (LL): Área residencial (2,5 kN/m²), área de escritório (3,0 kN/m²), armazém (10,0 kN/m²), estacionamento (2,5 kN/m² por veículo, mais 1,0 kN/m² para pedestres), área pública na cobertura (2,0 kN/m²).

Carga Sísmica (EL): Calculada pelo método do espectro de resposta, considerando a distribuição de massa estrutural, características de rigidez e taxa de amortecimento (0,05 para estruturas de aço).

Carga de Vento (WL): Calculada como pressão do vento (w=0.613 × V², V=45 m/s) e distribuída para cada andar de acordo com a altura e formato estrutural; a vibração-induzida pelo vento é verificada em partes-altas (5 a 8 andares).

Outras Cargas: A carga de neve não é considerada (Manila é uma região tropical); cargas secundárias-induzidas por terremotos (como efeito P-Δ) e tensão de temperatura são incluídas na verificação do projeto.

 

 

Considerando a função do edifício, os requisitos de espaço e os requisitos do código local, é adotada uma estrutura de aço, que tem as vantagens de peso leve, alta resistência, boa ductilidade e construção rápida. O arranjo estrutural específico é o seguinte:

Pilares: São utilizadas vigas de aço H-; as seções dos pilares são determinadas de acordo com a capacidade-de carga de cada piso. Os pisos 1º-2º (estacionamento + armazém) adotam H600×250×8×12 mm devido à grande carga; o 3º ao 4º andar (escritório) adota H500×200×7×10 mm; os andares 5 a 8 (residencial + telhado) adotam H400×200×6×8 mm.

Vigas: vigas H-de aço são usadas para vigas de piso e vigas de telhado. As vigas entre o Eixo A e o Eixo B (vão de 13,2m) adotam H500×200×7×10 mm (1º-2º andares) e H450×180×6×9 mm (3º-8º andares); as vigas entre o Eixo B e o Eixo C (vão de 6,8m) adotam H400×180×6×8 mm (todos os andares); as vigas do mezanino adotam H300×150×6×8 mm.

Laje de Piso: Adota-se laje mista (steel deck + concreto), com espessura de concreto de 120mm (residencial/escritório), 150mm (armazém/estacionamento) e 100mm (mezanino/cobertura); o modelo steel deck é o B-120, com espessura de 1,2mm.

Sistema de Resistência Lateral: A própria estrutura de aço proporciona rigidez lateral; além disso, são dispostos suportes diagonais nos cantos do edifício (Eixo A-1, A-4, C-1, C-4) para aumentar a resistência lateral contra vento e cargas sísmicas.

 

 

O consumo de aço inclui todos os principais membros estruturais: colunas, vigas, pisos de aço, contraventamentos diagonais e componentes de conexão (parafusos, materiais de soldagem, etc.). É adicionado um subsídio de 10% para componentes de conexão (parafusos, soldagem, etc.) com base no peso dos membros principais, o que está em linha com o padrão de cálculo convencional de projetos de estruturas metálicas.

 

 

Componente Estrutural	Especificação	Quantidade	Peso unitário (kg/m)	Comprimento total (m)	Peso total (kg)
Colunas (1º-2º andares)	H600×250×8×12	12 (3 linhas x 4 colunas)	118.5	144 (12 colunas × 12 m de altura total para 1º a 2º andares)	17064
Colunas (3º-4º andares)	H500×200×7×10	12	84.3	90 (12 colunas × 7,5 m de altura total para o 3º ao 4º andar)	7587
Colunas (5º ao 8º andares)	H400×200×6×8	12	62.1	134,4 (12 colunas × 11,2 m de altura total para o 5º ao 8º andar)	8346.24
Vigas (eixo A-B, 1º-2º andares)	H500×200×7×10	24 (4 vãos × 6 pisos, 1º-2º pisos)	84.3	316,8 (24 vigas × vão de 13,2 m)	26706.24
Vigas (eixo A-B, 3º ao 8º andares)	H450×180×6×9	48 (4 vãos × 12 andares, 3º-8º andares)	70.2	633,6 (48 vigas × vão de 13,2 m)	44478.72
Vigas (eixo B-C, todos os andares)	H400×180×6×8	72 (4 vãos × 18 andares, todos os 8 andares)	58.5	489,6 (72 vigas × vão de 6,8 m)	28641.6
Vigas do mezanino	H300×150×6×8	12 (4 vãos × 3 linhas)	40.2	120 (12 vigas × vão médio de 10m)	4824
Chaves diagonais	H200×150×6×8	32 (4 cantos × 8 andares)	30.1	179,2 (32 chaves × 5,6 m de comprimento médio)	5393.92
Piso em aço	B-120 (1,2mm)	1 conjunto (todos os andares)	12kg/m²	2.880 m² (20m×20m×7,2 andares, excluindo telhado)	34560
Plataforma de aço do telhado	B-120 (1,2mm)	1 conjunto	12kg/m²	400 m² (20m×20m)	4800
Total de membros principais	-	-	-	-	182407.72
Subsídio de conexão (10%)	-	-	-	-	18240.77
Consumo total de aço	-	-	-	-	200648,49 kg (≈200,65 toneladas)

 

Consumo total de aço: Aproximadamente 200,65 toneladas (incluindo 10% de permissão de conexão).

Consumo unitário de aço: 200,65 toneladas / (20m×20m×8 andares)=62.7 kg/m² (calculado com base na área útil total de 3.200 m²).

O consumo unitário de aço está dentro da faixa razoável (60-80 kg/m²) para edifícios multifuncionais com estrutura de aço, o que é consistente com os padrões de projeto de projetos semelhantes em Manila.

 

 

A análise a seguir avalia a aplicabilidade do projeto estrutural atual (com base nos códigos locais de Manila) nos principais mercados da CBC, como Tonga, Nova Caledônia, Papua Nova Guiné, Chile e Peru, concentrando-se nas diferenças nos requisitos locais de sísmica, carga de vento e códigos de construção.

 

 

Condições Sísmicas: Tonga está localizada em uma zona sísmica elevada (Anel de Fogo do Pacífico) com um PGA de 0,30-0,40g, que é muito superior aos 0,15g de Manila.

Carga do Vento: A velocidade básica do vento é de 55-60 m/s (região ciclônica), significativamente superior aos 45 m/s de Manila.

Requisitos do código: Está em conformidade com o Código de Construção de Tonga (TBC) 2018, que possui requisitos mais rígidos para resistência lateral e ductilidade estrutural.

Julgamento de aplicabilidade: Não recomendado. A atual rigidez estrutural e resistência sísmica são insuficientes para suportar as elevadas cargas sísmicas e de vento de Tonga; as seções da viga-da coluna e o sistema de contraventamento lateral precisam ser significativamente reforçados, e o consumo de aço aumentará em 30-40%.

 

 

Condições Sísmicas: Zona sísmica moderada com PGA de 0,20g, ligeiramente superior aos 0,15g de Manila.

Carga do vento: A velocidade básica do vento é de 50 m/s (área propensa a ciclones tropicais), superior aos 45 m/s de Manila.

Requisitos do código: Segue o Código de Construção dos Territórios Ultramarinos Franceses (RTC) 2020, que é semelhante aos padrões europeus e tem requisitos rigorosos para durabilidade estrutural e resistência ao vento.

Julgamento de Aplicabilidade: Requer Modificação. O projeto atual pode ser adaptado após ajustes parciais: reforçar o sistema de contraventamento lateral, aumentar a espessura dos flanges das vigas do pilar em 2-3 mm e ajustar os parâmetros de cálculo sísmico; o consumo de aço aumentará em 15-20%.

 

Condições Sísmicas: Zona sísmica elevada com PGA de 0,25-0,35g, superior aos 0,15g de Manila; a atividade sísmica é frequente e intensa.

Carga do Vento: A velocidade básica do vento é de 48-52 m/s, ligeiramente superior aos 45 m/s de Manila.

Requisitos do código: adota o Código Nacional de Construção da Papua Nova Guiné (PNG NBC) de 2015, que enfatiza a resistência sísmica e a ductilidade estrutural para edifícios-altos.

Julgamento de Aplicabilidade: Requer Modificação. Os principais ajustes incluem: aumento do tamanho da seção da viga do pilar (especialmente do 1º ao 2º andares), adição de mais contraventamentos laterais e otimização do sistema de dissipação de energia sísmica; o consumo de aço aumentará em 25-30%.

 

 

Condições Sísmicas: Uma das zonas sísmicas mais altas do mundo, com um PGA de 0,40-0,50g, excedendo em muito os 0,15g de Manila; terremotos de grande magnitude ocorrem com frequência.

Carga do Vento: A velocidade básica do vento é de 40-45 m/s, semelhante aos 45 m/s de Manila.

Requisitos do Código: Segue o Código de Construção Chileno (NCh 433 Of. 2017), que possui os mais rígidos padrões de projeto sísmico do mundo, exigindo alta ductilidade estrutural e capacidade de dissipação de energia.

Julgamento de aplicabilidade: Não recomendado. O sistema estrutural atual não consegue atender aos ultra{1}}requisitos sísmicos do Chile; um novo sistema-resistente a terremotos (como um sistema dissipador de energia-de suporte-com estrutura de aço) precisa ser reprojetado, e o consumo de aço aumentará em 50% ou mais.

 

 

Condições Sísmicas: Zona sísmica alta com PGA de 0,25-0,30g, superior a 0,15g de Manila; a intensidade sísmica varia de acordo com a região (as áreas costeiras são mais severas).

Carga do Vento: A velocidade básica do vento é de 42-48 m/s, ligeiramente inferior ou semelhante aos 45 m/s de Manila.

Requisitos do código: adota o Código de Construção Peruano (E070) 2017, que possui requisitos rigorosos para projeto sísmico e estabilidade estrutural de edifícios-altos.

Julgamento de Aplicabilidade: Requer Modificação. As principais adequações incluem: reforço das ligações das vigas dos pilares, aumento da rigidez lateral da estrutura e otimização do cálculo da carga sísmica; o consumo de aço aumentará em 20-25%.

 

 

Região	PGA Sísmica (g)	Velocidade básica do vento (m/s)	Julgamento de aplicabilidade	Principais modificações necessárias
Manila (Filipinas)	0.15	45	Totalmente aplicável	Nenhum
Tonga	0.30-0.40	55-60	Não recomendado	Redesenho abrangente do sistema estrutural, aumento significativo no tamanho da seção e contraventamento lateral
Nova Caledônia	0.20	50	Requer modificação	Reforçar o contraventamento lateral, aumentar a espessura do flange, ajustar os parâmetros sísmicos
Papua Nova Guiné	0.25-0.35	48-52	Requer modificação	Aumente o tamanho da seção da viga-da coluna, adicione contraventamentos laterais, otimize o sistema de dissipação de energia
Chile	0.40-0.50	40-45	Não recomendado	Redesenhe o sistema resistente-sísmico, adicione dissipadores de energia e aumente significativamente a rigidez estrutural
Peru	0.25-0.30	42-48	Requer modificação	Fortaleça as conexões de vigas-de colunas, aumente a rigidez lateral, otimize o cálculo sísmico

 

Com a premissa de cumprir os códigos locais de Manila e garantir a segurança estrutural, as seguintes medidas de otimização podem ser tomadas para reduzir o consumo de aço, melhorar a eficiência estrutural e reduzir os custos do projeto, sem afetar a função do edifício e os requisitos de espaço.

 

 

Colunas: Para o 5º-8º andar (área residencial, carga pequena), a seção da coluna pode ser otimizada de H400×200×6×8 mm a H350×180×6×8 mm. A verificação da relação de tensão mostra que a seção otimizada ainda pode atender aos requisitos de suporte de carga, reduzindo o consumo de aço em cerca de 8% para estes pilares.

Vigas: Para as vigas entre o Eixo B e o Eixo C (vão de 6,8m, carga pequena), a seção pode ser otimizada de H400×180×6×8 mm a H350×180×6×8 mm, reduzindo o consumo de aço em cerca de 6% para essas vigas.

 

 

Os atuais colchetes diagonais estão dispostos em todos os 8 andares; podem ser otimizados para serem dispostos em intervalos (a cada 2 andares) do 5º ao 8º andar (área residencial, pequena carga lateral). Este ajuste pode reduzir em 50% o número de contraventamentos para os andares superiores, ao mesmo tempo em que garante que a rigidez lateral atenda aos requisitos, reduzindo o consumo de aço em cerca de 5% para o sistema de contraventamento.

 

 

O projeto atual adota aço Q235B e Q355B; pode ser substituído por todo o Q355B ou aço-de alta resistência para as colunas e vigas principais (1º-4º andares, grande carga). para que o tamanho da seção possa ser reduzido adequadamente, mantendo a mesma capacidade de carga. Esta otimização pode reduzir o consumo de aço em cerca de 10-12% para os membros principais.

 

 

Para o 5º-7º andar (área residencial), a espessura da laje mista de concreto pode ser reduzida de 120 mm para 100 mm, e a espessura da plataforma de aço pode ser mantida em 1,2 mm. Este ajuste pode reduzir a carga permanente do piso, reduzindo assim os requisitos de suporte de carga de colunas e vigas e reduzindo indiretamente o consumo de aço em cerca de 3-4%.

 

 

Após otimização abrangente, o consumo total de aço pode ser reduzido em 15-20%, das 200,65 toneladas originais para 160,52-170,55 toneladas. O consumo unitário de aço será reduzido para 50,16-53,30 kg/m², o que ainda está dentro da faixa razoável e pode efetivamente reduzir os custos do projeto, garantindo ao mesmo tempo a segurança estrutural e atendendo aos requisitos do código local.

 

O projeto estrutural do edifício multifuncional de 8- andares atende aos requisitos dos códigos locais de Manila (NSCP 2015, PBC 2004) e requisitos de carga, com um consumo total de aço de aproximadamente 200,65 toneladas e um consumo unitário de aço de 62,7 kg/m². Para outras regiões: é totalmente aplicável em Manila; requer modificações na Nova Caledônia, Papua Nova Guiné e Peru (com aumentos correspondentes no consumo de aço); e não é recomendado em Tonga e no Chile (devido aos requisitos de carga sísmica/vento ultraelevada). Através da otimização da secção, substituição de materiais e ajuste do sistema, o consumo de aço pode ser reduzido em 15-20% sem afetar a segurança estrutural, o que traz benefícios económicos significativos.