Konstruktion eines Stahlrahmens für ein vierstöckiges Hotel in Papua-Neuguinea

 

Standort: Papua-Neuguinea

Seismische Zone: Seismische Intensität von8 Grad(entspricht PGA ≈ 0,3 g basierend auf ASCE 7 oder ähnlichen lokalen Vorschriften)

Windlast: Grundlegende Windgeschwindigkeit =120 km/h (~33.3 m/s)

Schneelast: Keiner

Gebäudenutzung:

Stufe 1: Parkhaus (Höhe=3.8 m)

Level 2–4: Hotelzimmer (Boden-bis-Bodenhöhe=3.7 m, 3,7 m bzw. 3,4 m)

Dachtyp: Ein-schräges Dach(angenommenes Gefälle=2 % für die Entwässerung)

Außenwände: Nicht-strukturelle Hohlbetonblöcke (lokal hergestellt;nicht tragend)

Bodensystem: Verbundstahldeck mit vor Ort eingegossenem Betonbelag(muss angegeben werden)

 

 

Gesamtlänge des Gebäudes: 80 m

Plankonfiguration:

Ostflügel: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Westflügel: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Notiz: Der Plan istnicht-rechteckig, wahrscheinlich L-förmig oder gestuft. Für die Strukturanalyse wird das Gebäude als zwei verbundene Blöcke mit möglicher Dehnungsfuge oder starrer Verbindung behandelt, je nach seismischer Detaillierung.

Typische Feldgrößen: Gehen Sie von einem Spaltenabstand von aus7,5 m in LängsrichtungUnd6,0 m quer(einstellbar je nach architektonischer Eingabe).

 

 

Primärcode: AISC 360-16 (Spezifikation für Baustahlgebäude)

Seismisches Design: ASCE 7-16 (oder gleichwertig – angepasst für PNG-Seismizität)

Windlast: ASCE 7-16, Kapitel 27 (Directional Procedure)

Materialstandards: ASTM A992 (Träger/Stützen), ASTM A36 (Platten, Sekundärelemente)

 

 

 

Komponente	Belastung (kN/m²)
Stahldeck + 125 mm Betonplatte (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Decke, MEP, Oberflächen	0.5
Dacheindeckung (Metalldeck + Isolierung)	0.3
Hohlblockwand (nicht-strukturell, aber als Linienlast auf Balken angewendet)	~3,0 kN/m(pro Meter Höhe)

 

 

Ebene	LL (kN/m²)	Referenz
Ebene 1 (Parken)	2.5	ASCE 7
Ebenen 2–4 (Hotel)	1.9	ASCE 7 (Wohnbereich)
Dach	0.5	Wartungslast

 

 

Grundlegende Windgeschwindigkeit:V = 33.3 m/s

Expositionskategorie:C(unter der Annahme eines vorstädtischen/städtischen Geländes)

Böenfaktor:G = 0.85

Druckkoeffizient (Cp):

Wand (luvwärts):+0.8

Wand (leewärts):–0.5

Dach (einzelne-Neigung):–0,9 bis –0,3(je nach Zone)

Mit ASCE 7 Gl. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Angenommen (K_z=0.85) in mittlerer-Höhe (~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 ]

Bemessungswinddruck:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Max. Wanddruck ≈0,33 kN/m²(luvwärts), Sog ≈–0,21 kN/m²(Lee)

Notiz: Aufgrund des niedrigen Anstiegs (<15 m), wind governs lateral stability but seismic may control due to high seismicity.

 

 

Spektrale Reaktion: Für die 8-Grad-Zone wird davon ausgegangenS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(konservative Schätzung pro lokaler Anpassung von ASCE 7)

Risikokategorie: II

R-Faktor (Stahlmomentrahmen): R = 8(für Special Moment Frame – SMF)

Wichtigkeitsfaktor: (I_e = 1.0)

Ungefähre Grundperiode:
[ T_a = C_t h_n^x = 0.028 × (14.6)^{0.8} ≈ 0.028 × 8.5 ≈ 0.24 s ]
(Gesamthöhe (h_n=3.8 + 3×3,7 – 0.3=14.6) m ca.)

Seismische Basisscherung:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5 % des Gesamtgewichts- signifikant.

 

 

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

3 bewohnte Etagen + Dach ≈ 4 Ebenen

Durchschn. DL + LL pro Etage ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m²

Gesamtgewicht (W ≈ 2544 × 5,65 × 4 ≈57.500 kN

Basisschub (V ≈ 0,125 × 57.500 ≈7.200 kN

→ Seismik hat Vorrang vor Windzur seitlichen Gestaltung.

 

 

Querkraftwiderstandssystem (LFRS):

Spezielle konzentrisch verstrebte Rahmen (SCBF)oderSpezielle Momentrahmen (SMF)

Angesichts der architektonischen Flexibilität und des Bedarfs an offenen Parkplätzen,SCBFbevorzugt für Effizienz und Duktilität in erdbebengefährdeten Zonen.

Schwerkraftsystem:

Verbundträger(W--Formen mit Kopfbolzen + Metalldeck + Betonplatte)

Spalten: HSS- oder W{0}}-Profile, durchgehend vom Fundament bis zum Dach

Verspannung: X-Aussteifung in beide Richtungen an Treppen-/Aufzugskernen und Umfang, wo möglich

Dach: Einzelne-Neigung, unterstützt durch geneigte Dachbalken oder konische Rahmen; Pfetten oben drauf.

 

 

6.1 Bodenbalken (typischer Innenraum)

Spannweite: 7,5 m

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

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

Erforderlicher Widerstandsmoment: (Z_x Größer oder gleich M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

Probeabschnitt: W410×60(Zₓ=773×10³ mm³, OK)

6.2 Randträger (mit Wandlast)

Zusätzliche Wandlast: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

Gesamt w ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 Säulen (Innenraum, 4 Stockwerke)

Zuflussfläche: 7,5 m × 6,0 m=45 m²

Axiallast pro Etage: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

Gesamt P ≈ 4 × 232 =928 kN

Addieren Sie 20 % für seismische axiale Effekte →P_u ≈ 1.115 kN

Effektive Länge (KL ≈ 0,8 × 3700=2,960 mm)

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

Verwenden Sie aus wirtschaftlichen Gründen W250×67 oder HSS203×203×9,5

6.4 Aussteifungsstäbe (SCBF)

Gehen Sie von einer Aussteifung in 2 Feldern pro Richtung aus

Seismischer Geschossschub pro Feld ≈ 7.200 / (Anzahl der ausgesteiften Rahmen)

Gehen Sie von 4 verspannten Rahmen in jede Richtung aus → ~900 kN pro Rahmen

Diagonalkraft: (F=V / sinθ); θ=45 Grad → F ≈ 900 / 0,707 ≈1.270 kN

Erforderlicher A_g Größer oder gleich 1.270.000 / (0,9×345) ≈4.090 mm²

Versuch: HSS152×152×9,5(A=5,200 mm², OK für Zug/Druck mit Schlankheitsprüfung)

 

 

Metalldeck: Conform® 2.0 oder Bondek®(Profiltiefe=60 mm)

Betonplatte: 125 mm dick, f'c=25 MPa

Scherbolzen: 19 mm Durchmesser × 100 mm Höhe, Abstand bei300 mm Durchmesserentlang von Balken

Zusammengesetzte Aktion: Vollständige Interaktion gemäß AISC 360 Kapitel I angenommen

 

 

Bodenbericht erforderlich– Gehen Sie von einer mittleren Tragfähigkeit (150 kPa) aus.

Spaltenreaktionen: Max. ~1.200 kN → Fundamentgröße ≈ √(1.200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 misolierter Stand

Seismischer Ankerplatz: Ankerstangen, die für Hebung und Scherung gemäß ACI 318 ausgelegt sind

 

 

Balken-zur-Spalte: Verschraubte Endplatten oder geschweißte Momentverbindungen (bei Verwendung von SMF)

Klammer-an-Zwickel: Whitmore-Abschnittsmethode gemäß AISC Seismic Provisions

Deckunterstützung: Einfaches Lager am oberen Flansch des Trägers

 

 

Artikel	Spezifikation
LFRS	Spezielle konzentrisch verstrebte Rahmen (SCBF)
Schwerkraftstrahlen	B410×60 (innen), B460×74 (Rand)
Spalten	B250×67 oder HSS203×203×9,5
Zahnspange	HSS152×152×9,5
Bodendeck	60 mm tiefes Verbundmetalldeck + 125 mm Beton
Seismische Basisscherung	~7.200 kN (bestimmt die Auslegung)
Winddruck	~0,33 kN/m² (nicht-maßgebend)
Dachneigung	2 % einfache Neigung, unterstützt durch geneigte Sparren

 

 

Beauftragen Sie einen örtlichen Geotechniker mit der Erstellung eines Bodengutachtens.

Stimmen Sie sich mit dem Architekten ab, um verstrebte Rahmen zu platzieren, ohne Parkplätze oder Räume zu behindern.

Verwenden Sie ein korrosionsbeständiges Lacksystem (C4-Umgebung gemäß ISO 12944 – Küsten-PNG).

Bei deutlichem Ost-West-Versatz Bewegungsfugen vorsehen.

Führen Sie detaillierte 3D-Strukturanalysen mit Software (z. B. ETABS, SAP2000) einschließlich P-Δ-Effekten durch.

 

 

 

Diese Schätzung der Stahltonnage deckt die primären und sekundären Stahlkonstruktionselemente ab, die für die Schwerkraft- und Querlastwiderstandssysteme des vierstöckigen Hotels erforderlich sind, einschließlich:

Säulen (vom Fundament bis zum Dach)

Boden- und Dachbalken (Verbundkonstruktion)

Aussteifungselemente (Special Concentrically Braced Frames – SCBF)

Dachrahmen (schräge Sparren und Pfetten)

Verbindungen (geschätzt 5 % des Hauptmitgliedsgewichts)

Ausgeschlossen:

Metalldeck (gilt als nicht-strukturelle Verkleidung/Plattenunterstützung)

Ankerstangen, Grundplatten (im Anschlusszuschlag enthalten)

Treppen, Geländer, diverses Stahlmaterial

 

 

Der Bauplan besteht aus zwei verbundenen Blöcken:

Ostblock: 55.6 m × 27 m

Westblock: 25 m × 41.7 m
→ Gesamter Fußabdruck ≈2,544 m²

Typisches Säulenraster:7,5 m (längs) × 6,0 m (quer)

Anzahl der Spalten:

Ostblock: (55,6/7,5 ≈ 8 Felder → 9 Zeilen) × (27/6 ≈ 4,5 → 5 Zeilen) =45 Spalten

Westblock: (25/7,5 ≈ 3,3 → 4 Zeilen) × (41,7/6 ≈ 7 → 8 Zeilen) =32 Spalten

Überlappung an der Kreuzung abziehen (~5 gemeinsame Spalten) →Gesamtzahl der Spalten ≈ 72

Etagen: 4 Ebenen (inkl. Dach)

Versteifte Rahmen: 2 pro Richtung und Block →8 insgesamt verstrebte Felder

Dachneigung: 2 %, unterstützt durch Schrägbalken; keine Traversen

 

 

Da es sich bei dem Projekt um einen öffentlichen Wohnbau handelt, haben wir beschlossen, das gesamte Struktursystem zu verstärken, um ein robustes Gebäude mit einer Lebensdauer von mehr als 100 Jahren zu schaffen. Um dies zu erreichen, haben wir herkömmliche Stützen durch Stahlsäulen mit Kastenprofil ersetzt und diese vor Ort mit Beton gefüllt, wodurch die Gesamtfestigkeit der Struktur deutlich erhöht wurde.

 

 

Abschnitt:Kastentyp 400X400x12x12mm(Masse=146.2 kg/m)

Höhe pro Spalte:

Ebene 1: 3,8 m

Ebenen 2–3: jeweils 3,7 m

Ebene 4: 3,4 m
→ Gesamthöhe =14.6 m

Gesamtspaltenlänge=72 × 14.6 =1,051 m

Säulengewicht=1,051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 Tonnen

Hinweis: Säulen im Erdgeschoss können schwerer sein; das ist ein Durchschnitt.

 

 

Innenbalken: WH500X290X10X16mm (Masse=109.6 kg/m)

Spannweite: 7,5 m

Anzahl pro Etage:

Ostblock: 5 Querlinien × 8 Längsfelder=40

Westblock: 8 Querlinien × 3 Längsfelder=24
→ 64 Innenbalken pro Etage

Gesamt für 3 Etagen + Dachrahmen=4 × 64 =256 Balken

Länge=256 × 7.5 =1,920 m

Gewicht=1,920 × 109.6=210.432 kg

Rand-/Umfangsträger: WH600X200X12X12mm (Masse=92 kg/m)

Umfangslänge pro Etage ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – Überlappung ≈290 m/Etage

Gehen Sie von Randbalken alle 6 m aus → ~48 Randbalken pro Etage

Gesamt=4 × 48 =192 Balken, durchschn. Spanne=6.0 m

Länge=192 × 6 =1,152 m

Gewicht=1,152 × 92=105.984 kg

Gesamtgewicht des Balkens = 210,432 + 105,984 = 316.416 kg ≈ 316,4 Tonnen

 

 

Abschnitt:HSS152×152×9,5(Masse=42.5 kg/m)

Verstrebte Buchten: insgesamt 8 (4 in E-W, 4 in N-S)

Jede Bucht hat 2 Diagonalen pro Stockwerk → 4 Stockwerke × 2 =8 Diagonalen pro verstrebter Rahmenlinie

Gesamtdiagonalen=8 Frames × 8 =64 Hosenträger

Durchschn. Diagonale Länge (für 7,5 m × 3,7 m Feld bei 45 Grad):
( L=\\sqrt{7,5^2 + 3.7^2} ≈ 8,4 m )

Gesamtlänge der Strebe=64 × 8.4 =538 m

Stützgewicht=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 Tonnen

 

 

Hauptdachsparren folgen einem Profil mit einer -Neigung; verwendenW310×45(45 kg/m)

Abstand: 3,0 m oc (zur Unterstützung von Pfetten)

Gesamtdachfläche=2,544 m² → Sparrenlänge ≈ Gebäudebreite (max. 41,7 m)

Anzahl Sparren ≈ 80 m / 3,0 ≈27 Zeilen

Durchschn. Sparrenlänge=35 m (gewichteter Durchschnitt der Ost-/Westbreiten)

Gesamtsparrenlänge=27 × 35 =945 m

Sparrengewicht=945 × 45 =42.525 kg

Pfetten: C200×20×2,5 (5,5 kg/m), Abstand 1,5 m oc

Gesamtpfettenlänge ≈ (2.544 m² / 1,5 m Abstand) × 1,0 m =1,696 m

Gewicht=1,696 × 5.5 =9.328 kg

Gesamtdachstahl = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 Tonnen

 

 

Standardpraxis:5%des Gesamtgewichts des Hauptelements

Hauptmitglieder insgesamt=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 Tonnen

Verbindungen=0.05 × 533,900 =27.245 kg ≈ 27,3 Tonnen

 

 

Komponente	Gewicht (Tonnen)
Spalten	153.7
Boden- und Randbalken	316.4
Verstrebung (SCBF)	22.9
Dachrahmen (Sparren + Pfetten)	51.9
Verbindungen (5 %)	27.3
Gesamter geschätzter Baustahl	572,2 Tonnen

 

 

Gesamtgrundfläche =2,544 m²

Stahl pro Flächeneinheit=572.2 t / 2.544 m² =225 kg/m²

Dies ist für ein 4-stöckiges erdbebensicheres-Stahlgebäude mit ausgesteiften Rahmen in einer erdbebengefährdeten Region sinnvoll.

 

 

Optimierungspotenzial: Die Verwendung größerer Buchten oder einer geringeren Abstützung könnte die Tonnage verringern, aber seismische Anforderungen in PNG begrenzen die Reduzierungen.

Lokale Fertigung: Berücksichtigen Sie die Verfügbarkeit von Standardabschnitten in PNG oder Australien (gängige Abschnitte wie W--Formen und HSS werden vorausgesetzt).

Korrosionsschutz: Aufgrund der tropischen Küstenumgebung muss der gesamte Stahl feuerverzinkt oder mit einem Duplex-Lackierungssystem behandelt werden.

Kontingenz: Hinzufügen5–10%für Designentwicklung, architektonische Änderungen oder Detaillierung von Ineffizienzen →Endgültige Budgetschätzung: ~615–700 Tonnen. Wenn man einige Treppen und Strukturen für Aufzüge hinzufügt, ergibt sich insgesamt eine Fläche von ca650~750 Tonnenim Finale.

Erstellt von: Hangzhou Xixi Building Co., LTD.
Datum: 16. Januar 2026
Grundlage: AISC 360-16, vorläufiges Layout, seismische Annahmen ASCE 7-16