Edificio de Investigación en Ciencias de la Vida en Filadelfia
Acerca del proyecto
Una estructura de acero de 5100 toneladas construida sobre un pódium existente de dos plantas, originalmente diseñado para soportar una expansión vertical. Un cambio de uso para la nueva estructura requirió un enfoque de ingeniería altamente especializado para garantizar que la estructura existente pudiera acomodar la función revisada.
La geometría en forma de lágrima introdujo complejidades adicionales en la distribución de cargas, la estabilidad lateral y el detallado de las uniones, lo que requirió herramientas de análisis avanzadas para optimizar el uso de materiales y garantizar la integración perfecta con la nueva visión de diseño.
Desafíos de ingeniería
Un requisito clave era incorporar laboratorios, cada uno con una dimensión cuadrada estricta de 11 pies. Para lograrlo, los ingenieros de CannonDesign emplearon una estrategia de diseño paramétrico, desarrollando un algoritmo capaz de evaluar cientos de geometrías potenciales del edificio. Este enfoque permitió al equipo determinar una configuración óptima que se ajusta a las restricciones del pódium existente, transfiriendo eficientemente las cargas de los niveles superiores y manteniéndose rentable. Por ejemplo, el algoritmo fue refinado para mantener ubicaciones específicas de columnas críticas mientras aumentaba simultáneamente el número de crujías estructurales repetidas de 33 pies que podían crearse.
La posición del núcleo de arriostramiento dentro del pódium estaba vinculada a la ubicación de las vigas, columnas y cimentaciones existentes. No obstante, fue necesario realinear la cuadrícula de columnas en los pisos superiores. Por ello, se integraron cerchas de transferencia en la estructura.
Puede encontrarse más información sobre el proyecto en el artículo de la revista AISC Modern Steel Magazine: Podium Possibilities de John Roach, PE, SE.
Diseño de uniones de acero
Uno de los aspectos más complejos del proyecto fue abordar las uniones complejas causadas por la geometría curva del edificio. Los vanos arriostrados seguían el exterior en forma de lágrima, lo que significaba que ninguno de los elementos de arriostramiento podía resolverse utilizando detalles de unión estándar.
El equipo de diseño desarrolló uniones de arriostramiento compactas con las siguientes características:
- Placas de unión de 2 pulgadas de espesor soldadas a la columna y atornilladas a los arriostramientos de ala ancha
- Columnas y placas de unión soldadas en taller a placas base de 6 pulgadas de espesor (para fuerzas de cortante y de arranque)
- Placas tapa añadidas a los elementos de ala ancha para cumplir con los límites de esbeltez y resistir las fuerzas del viento, optimizando la selección de la sección transversal
- Entallas largas en las placas de unión para mantener las conexiones de placa de ala existentes
Debido a los detalles nuevos y existentes y a las nuevas condiciones de carga, los ingenieros estructurales consideraron poco práctico utilizar el Método de Fuerza Uniforme en las uniones con placa de unión (cálculos tradicionales de AISC).
La solución fue utilizar IDEA StatiCa para diseñar y validar las uniones viga-columna-arriostramiento del proyecto. El uso de CBFEM ayudó a capturar con precisión la distribución de tensiones en las uniones existentes, optimizando los materiales y evitando el uso de placas de relleno adicionales o rigidizadores.
IDEA StatiCa ha sido validado y verificado para la unión de arriostramiento en la unión viga-columna en un pórtico arriostrado con el procedimiento AISC. En este estudio de verificación se examinan diez componentes: arriostramiento, ala y alma de la viga, ala y alma de la columna, angulares de unión, placa de unión, placas de empalme entre el arriostramiento y la placa de unión, angulares de unión a la columna, angulares de unión a la viga, tornillos y soldaduras. Todos los componentes están diseñados de acuerdo con las especificaciones AISC 360-16. La unión presentada está tomada de la Guía de Diseño 29 de AISC.
Conclusión
Al transformar un pódium existente originalmente destinado a un hotel en la base de una torre de investigación de 17 plantas con forma de lágrima, el proyecto amplió los límites de la adaptabilidad y optimización estructural. Mediante el uso de estrategias de diseño paramétrico, avanzadas soluciones de transferencia de cargas y uniones de acero de precisión, el equipo superó los desafíos planteados por la estructura existente, cumpliendo al mismo tiempo con los estrictos criterios de vibración requeridos para entornos de laboratorio sensibles.
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