Progettazione di un telaio strutturale in acciaio per un hotel di 4 piani in Papua Nuova Guinea

 

Posizione: Papua Nuova Guinea

Zona Sismica: Intensità sismica di8 gradi(equivalente a PGA ≈ 0,3 g basato su ASCE 7 o codici locali simili)

Carico del vento: Velocità del vento di base =120 chilometri all'ora (~33.3 m/s)

Carico di neve: Nessuno

Uso edilizio:

Livello 1: Garage (altezza=3.8 m)

Livelli 2–4: Camere degli ospiti dell'hotel (altezza da-a-pavimento=3.7 m, 3,7 m e 3,4 m rispettivamente)

Tipo di tetto: Tetto a-inclinazione singola(pendenza presunta=2% per il drenaggio)

Pareti esterne: Blocchi cavi non strutturali in calcestruzzo (costruiti localmente);non-portante)

Sistema a pavimento: Ponte in acciaio composito con copertura in cemento-in-getto in opera(da specificare)

 

 

Lunghezza totale dell'edificio: 80 m

Configurazione del piano:

Ala Est: 55.6 m (L) × 27 m (W)

Ala ovest: 25 m (L) × 41.7 m (W)

Nota: Il piano ènon-rettangolare, probabilmente a forma di L-o a gradini. Per l'analisi strutturale, l'edificio viene trattato come due blocchi collegati con possibile giunto di dilatazione o connessione rigida a seconda del dettaglio sismico.

Dimensioni tipiche della baia: presuppone una spaziatura delle colonne pari a7,5 m longitudinalmenteE6,0 m trasversalmente(regolabile per ingresso architettonico).

 

 

Codice primario: AISC 360-16 (Specifiche per edifici strutturali in acciaio)

Progettazione sismica: ASCE 7-16 (o equivalente – adattato per la sismicità del PNG)

Carico del vento: ASCE 7-16, Capitolo 27 (Procedura direzionale)

Standard sui materiali: ASTM A992 (travi/colonne), ASTM A36 (piastre, elementi secondari)

 

 

 

Componente	Carico (kN/m²)
Ponte in acciaio + 125 mm Soletta in cemento (ρ=24 kN/m³)	0.25 + (0.125×24) = 3.25
Soffitto, Impianti, Finiture	0.5
Copertura (ponte in metallo + isolamento)	0.3
Muro a blocchi cavi (non-strutturale, ma applicato come carico lineare sulle travi)	~3,0 kN/m(per metro di altezza)

 

 

Livello	LL (kN/m²)	Riferimento
Livello 1 (parcheggio)	2.5	ASCE 7
Livelli 2–4 (hotel)	1.9	ASCE 7 (residenziale)
Tetto	0.5	Carico di manutenzione

 

 

Velocità del vento di base:V = 33.3 m/s

Categoria di esposizione:C(assumendo il terreno suburbano/urbano)

Fattore di raffica:G = 0.85

Coefficiente di pressione (Cp):

Parete (sopravvento):+0.8

Muro (sottovento):–0.5

Tetto (singola-pendenza):da –0,9 a –0,3(a seconda della zona)

Utilizzando ASCE 7 Eq. 27.3-1:
[ q_z=0.613 K_z K_{zt} K_d V^2 I ]
Supponendo (K_z=0.85) a metà-altezza (~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 ]

Pressione del vento di progetto:
[ p = q_z G C_p ≈ 0.49 × 0.85 × C_p ]
→ Pressione massima sulla parete ≈0,33 kN/m²(sopravvento), aspirazione ≈–0,21 kN/m²(sottovento)

Nota: A causa del basso aumento (<15 m), wind governs lateral stability but seismic may control due to high seismicity.

 

 

Risposta spettrale: Per la zona di 8 gradi, presupporreS_DS=1.0, S_D1 = 0.6(stima conservativa per adattamento locale di ASCE 7)

Categoria di rischio:II

Fattore R- (telaio momento in acciaio): R = 8(per Telaio Momento Speciale – SMF)

Fattore di importanza: (I_e = 1.0)

Periodo fondamentale approssimativo:
[ T_a = C_t h_n^x = 0.028 × (14.6)^{0.8} ≈ 0.028 × 8.5 ≈ 0.24 s ]
(Altezza totale (h_n=3.8 + 3×3,7 – 0.3=14.6) m circa)

Taglio sismico della base:
[ V=\\frac{S_{DS}}{R/I_e} W=\\frac{1.0}{8} W=0.125 W ]
→ 12,5% del peso totale- significativo.

 

 

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

3 piani occupati + tetto ≈ 4 livelli

Media DL + LL per piano ≈ (3.75 + 1.9) ≈5,65 kN/m²

Peso totale (L ≈ 2544 × 5,65 × 4 ≈57.500 kN

Taglio alla base (V ≈ 0,125 × 57.500 ≈7.200 kN

→ La sismica governa il ventoper la progettazione laterale.

 

 

Sistema di resistenza alla forza laterale (LFRS):

Telai speciali con rinforzo concentrico (SCBF)OCornici per momenti speciali (SMF)

Data la flessibilità architettonica e la necessità di parcheggi aperti,SCBFpreferito per efficienza e duttilità nelle zone ad alta-sismicità.

Sistema di gravità:

Travi composite(Profili a W-con pioli a taglio + copertura metallica + soletta in cemento)

Colonne: sezioni HSS o W-continue dalle fondamenta al tetto

Rinforzo: X-rinforzi in entrambe le direzioni in corrispondenza dei nuclei delle scale/dell'ascensore e del perimetro, ove possibile

Tetto: Singola-pendenza sostenuta da travi del tetto inclinate o telai rastremati; arcarecci in cima.

 

 

6.1 Travi del pavimento (interni tipici)

Luce: 7,5 m

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

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

Modulo di sezione richiesto: (Z_x Maggiore o uguale a M / (0,9 F_y)=217×10⁶ / (0,9×345) ≈ 700×10³ mm³)

Sezione di prova: W410×60(Zₓ=773×10³ mm³, OK)

6.2 Travi perimetrali (con carico a parete)

Carico sulla parete aggiuntivo: 3,0 kN/m × 3,7 m =11,1 kN/m

Totale w ≈ 30.9 + 11.1 =42,0 kN/m

M ≈ 295 kN·m →W460×74(Zₓ=942×10³ mm³)

6.3 Colonne (interno, 4 piani)

Area tributaria: 7,5 m × 6,0 m=45 m²

Carico assiale per piano: (3.25 + 1.9) × 45=232 kN

P totale ≈ 4 × 232 =928 kN

Aggiungere il 20% per gli effetti assiali sismici →P_u ≈ 1.115 kN

Lunghezza effettiva (KL ≈ 0,8 × 3700=2,960 mm)

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

Utilizzare W250×67 o HSS203×203×9,5 per l'economia

6.4 Elementi di controvento (SCBF)

Si presuppone un rinforzo a 2 campate per direzione

Taglio sismico per campata ≈ 7.200 / (numero di telai controventati)

Assumere 4 telai controventati in ciascuna direzione → ~900 kN per telaio

Forza diagonale: (F=V / sinθ); θ=45 gradi → F ≈ 900 / 0,707 ≈1.270 kN

Richiesto A_g Maggiore o uguale a 1.270.000 / (0,9×345) ≈4.090 mm²

Prova: HSS152×152×9,5(A=5,200 mm², OK per trazione/compressione con controllo di snellezza)

 

 

Ponte in metallo: Conform® 2.0 o Bondek®(profondità profilo=60 mm)

Lastra di cemento: 125mm di spessore, f'c=25 MPa

Borchie di taglio: Diametro 19 mm x altezza 100 mm, distanziato a300 mm circalungo le travi

Azione composita: Interazione completa presupposta secondo AISC 360 Capitolo I

 

 

È richiesto un rapporto sul suolo– assumere una capacità portante moderata (150 kPa)

Reazioni di colonna: Max ~1.200 kN → dimensione del basamento ≈ √(1.200 / 150) ≈2.8 m × 2.8 mbasamento isolato

Ancoraggio sismico: Barre di ancoraggio progettate per sollevamento e taglio secondo ACI 318

 

 

Trave-a-colonna: Piastre terminali imbullonate o connessioni momento saldate (se utilizzato SMF)

Rinforzo-al-tassello: Metodo della sezione Whitmore come da Disposizioni Sismiche AISC

Supporto del ponte: Semplice appoggio sulla flangia superiore della trave

 

 

Articolo	Specifica
LFRS	Telai speciali con rinforzo concentrico (SCBF)
Travi a gravità	L410×60 (interno), L460×74 (bordo)
Colonne	L250×67 o HSS203×203×9,5
Bretelle	HSS152×152×9,5
Piano di calpestio	Ponte metallico composito profondo 60 mm + 125 mm di cemento
Taglio sismico della base	~7.200 kN (governa la progettazione)
Pressione del vento	~0,33 kN/m² (non-regolante)
Pendenza del tetto	Pendenza singola 2%, sostenuta da travi inclinate

 

 

Coinvolgere l'ingegnere geotecnico locale per la relazione sul suolo.

Coordinarsi con l'architetto per individuare i telai controventati senza ostruire il parcheggio o le stanze.

Utilizza un sistema di verniciatura resistente alla corrosione-(ambiente C4 secondo ISO 12944 – PNG costiero).

Fornire giunti di movimento se le ali est/ovest sono notevolmente sfalsate.

Esegui analisi strutturali 3D dettagliate utilizzando software (ad es. ETABS, SAP2000) inclusi gli effetti P-Δ.

 

 

 

Questa stima del tonnellaggio dell'acciaio copre gli elementi strutturali in acciaio primari e secondari necessari per i sistemi di resistenza alla gravità e al carico laterale-dell'hotel a 4 piani, tra cui:

Colonne (dalla fondazione al tetto)

Travi del pavimento e del tetto (design composito)

Elementi di controvento (Telai speciali con controventi concentrici – SCBF)

Struttura del tetto (travi e arcarecci inclinati)

Connessioni (stimate come 5% del peso dell'elemento principale)

Escluso:

Ponte metallico (considerato supporto per rivestimento/solaio non-strutturale)

Barre di ancoraggio, piastre di base (incluse nella franchigia di connessione)

Scale, ringhiere, varie in acciaio

 

 

La pianta dell'edificio è composta da due blocchi collegati:

Blocco Est: 55.6 m × 27 m

Blocco ovest: 25 m × 41.7 m
→ Impronta totale ≈2,544 m²

Tipica griglia di colonne:7,5 m (longitudinale) × 6,0 m (trasversale)

Numero di colonne:

Blocco est: (55,6/7,5 ≈ 8 alloggiamenti → 9 righe) × (27/6 ≈ 4,5 → 5 righe) =45 colonne

Blocco ovest: (25/7,5 ≈ 3,3 → 4 righe) × (41,7/6 ≈ 7 → 8 righe) =32 colonne

Sottrarre la sovrapposizione all'incrocio (~5 colonne condivise) →Colonne totali ≈ 72

Piani: 4 livelli (compreso il tetto)

Telai controventati: 2 per direzione per blocco →8 campate controventate totali

Pendenza copertura: 2%, sostenuta da travi inclinate; niente capriate

 

 

Considerata la natura del progetto di edilizia residenziale pubblica, abbiamo deciso di rinforzare l'intero sistema strutturale per creare un edificio robusto con una vita utile superiore a 100 anni. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo sostituito le colonne convenzionali con colonne in acciaio a sezione scatolata-e le abbiamo riempite in loco-con cemento, migliorando significativamente la resistenza strutturale complessiva.

 

 

Sezione:Tipo scatola 400X400x12x12mm(massa=146.2 kg/m)

Altezza per colonna:

Livello 1: 3,8 mt

Livelli 2–3: 3,7 m ciascuno

Livello 4: 3,4 mt
→ Altezza totale =14.6 m

Lunghezza totale della colonna=72 × 14.6 =1,051 m

Peso della colonna=1,051 m × 146,2 kg/m =153.656 kg ≈ 153,7 tonnellate

Nota: le colonne del piano terra potrebbero essere più pesanti; questa è una media.

 

 

Travi interne: WH500X290X10X16mm (massa=109.6 kg/m)

Luce: 7,5 m

Numero per piano:

Blocco est: 5 linee trasversali × 8 campate longitudinali=40

Blocco ovest: 8 linee trasversali × 3 campate longitudinali=24
→ 64 travi interne per piano

Totale per 3 piani + struttura del tetto=4 × 64 =256 travi

Lunghezza=256 × 7.5 =1,920 m

Peso=1,920 × 109.6=210.432 chilogrammi

Travi perimetrali/perimetrali: WH600X200X12X12mm (massa=92 kg/m)

Lunghezza perimetro per piano ≈ 2×(55.6+27) + 2×(25+41.7) – sovrapposizione ≈290 mq/piano

Ipotizzare travi di bordo ogni 6 m → ~48 travi di bordo per piano

Totale=4 × 48 =192 travi, media campata=6.0 m

Lunghezza=192 × 6 =1,152 m

Peso=1,152 × 92=105.984 chilogrammi

Peso totale del raggio = 210,432 + 105,984 = 316.416 kg ≈ 316,4 tonnellate

 

 

Sezione:HSS152×152×9,5(massa=42.5 kg/m)

Campate controventate: 8 in totale (4 a E-O, 4 a N-S)

Ogni campata ha 2 diagonali per piano → 4 piani × 2 =8 diagonali per linea di telaio controventata

Diagonali totali=8 fotogrammi × 8 =64 parentesi graffe

Media lunghezza diagonale (per campata da 7,5 m × 3,7 m a 45 gradi):
( L=\\sqrt{7,5^2 + 3.7^2} ≈ 8,4 m )

Lunghezza totale del tutore=64 × 8.4 =538 m

Peso del tutore=538 × 42.5 =22,865 kg ≈ 22,9 tonnellate

 

 

Le travi principali del tetto seguono il profilo-a pendenza singola; utilizzoW310×45(45 kg/m²)

Interasse: 3,0 m c (per supportare gli arcarecci)

Superficie totale del tetto=2,544 m² → lunghezza travi ≈ larghezza edificio (max 41,7 m)

Numero di travi ≈ 80 m / 3,0 ≈27 righe

Media lunghezza trave=35 m (media ponderata delle larghezze est/ovest)

Lunghezza totale della trave=27 × 35 =945 m

Peso della trave=945 × 45 =42.525 chilogrammi

Arcarecci: C200×20×2,5 (5,5 kg/m), distanziati 1,5 m oc

Lunghezza totale dell'arcareccio ≈ (2.544 m² / distanza 1,5 m) × 1,0 m =1,696 m

Peso=1,696 × 5.5 =9.328 chilogrammi

Tetto in acciaio totale = 42,525 + 9,328 = 51.853 kg ≈ 51,9 tonnellate

 

 

Pratica standard:5%del peso totale del membro principale

Totale membri principali:=153.7 + 316.4 + 22.9 + 51.9 =533,9 tonnellate

Connessioni=0.05 × 533,900 =27.245 kg ≈ 27,3 tonnellate

 

 

Componente	Peso (tonnellate)
Colonne	153.7
Travi per pavimento e bordo	316.4
Controvento (SCBF)	22.9
Struttura del tetto (travi + arcarecci)	51.9
Connessioni (5%)	27.3
Acciaio strutturale totale stimato	572,2 tonnellate

 

 

Superficie totale =2,544 m²

Acciaio per unità di superficie=572.2 t / 2.544 m² =225 kg/m²

Ciò è ragionevole per un edificio in acciaio resistente ai sismi-di 4 piani con telai rinforzati in una regione ad alto sisma.

 

 

Potenziale di ottimizzazione: L'uso di campate più grandi o di rinforzi ridotti potrebbe ridurre il tonnellaggio, ma le richieste sismiche in PNG limitano le riduzioni.

Fabbricazione locale: considera la disponibilità delle sezioni standard in PNG o in Australia (si presuppongono sezioni comuni come le forme W- e HSS).

Protezione dalla corrosione: Tutto l'acciaio è idoneo alla zincatura a caldo-o al sistema di verniciatura duplex a causa dell'ambiente tropicale costiero.

Contingenza: Aggiungere5–10%per lo sviluppo della progettazione, modifiche architettoniche o dettagliare le inefficienze →Stima del budget finale: ~615–700 tonnellate. Se aggiungi qualche scala e struttura per gli ascensori, nel complesso sarà tutto a posto650~750 tonnellatein finale.

Preparato da: Hangzhou Xixi Building Co., LTD.
Data: 16 gennaio 2026
Base: AISC 360-16, layout preliminare, ipotesi sismiche ASCE 7-16