Budynek Life Science Research w Filadelfii
O projekcie
Stalowa konstrukcja o masie 5100 ton wzniesiona na szczycie istniejącego dwupiętrowego podium, pierwotnie zaprojektowanego z myślą o rozbudowie pionowej. Zmiana funkcji nowej konstrukcji wymagała wysoce specjalistycznego podejścia inżynierskiego, aby zapewnić, że istniejąca konstrukcja będzie w stanie przejąć zmienione obciążenia.
Geometria w kształcie łzy wprowadzała dodatkowe komplikacje w zakresie rozkładu obciążeń, stateczności bocznej oraz szczegółów połączeń – co wymagało zastosowania zaawansowanych narzędzi analitycznych w celu optymalizacji zużycia materiałów i zagwarantowania bezproblemowej integracji z nową koncepcją projektową.
Wyzwania inżynierskie
Kluczowym wymaganiem było uwzględnienie laboratoriów, każde o ściśle określonym wymiarze 11 stóp kwadratowych. Aby to osiągnąć, inżynierowie z CannonDesign zastosowali strategię projektowania parametrycznego, opracowując algorytm zdolny do oceny setek potencjalnych geometrii budynku. Podejście to pozwoliło zespołowi określić optymalną konfigurację mieszczącą się w ograniczeniach istniejącego podium, przy jednoczesnym efektywnym przenoszeniu obciążeń z wyższych kondygnacji i zachowaniu opłacalności ekonomicznej. Przykładowo algorytm został udoskonalony tak, aby zachować określone krytyczne lokalizacje słupów, jednocześnie zwiększając liczbę powtarzających się przęseł konstrukcyjnych o rozpiętości 33 stóp.
Położenie rdzenia z ramą stężającą w obrębie podium było powiązane z lokalizacją istniejących belek, słupów i fundamentów. Niemniej jednak konieczne było przesunięcie siatki słupów na wyższych kondygnacjach. W związku z tym w konstrukcji zastosowano dźwigary transferowe.
Więcej informacji o projekcie można przeczytać w artykule AISC Modern Steel Magazine: Podium Possibilities autorstwa Johna Roacha, PE, SE.
Projektowanie połączeń stalowych
Jednym z trudniejszych aspektów projektu było rozwiązanie złożonych połączeń wynikających z krzywoliniowej geometrii budynku. Przęsła stężające podążały za zewnętrznym obrysem w kształcie łzy, co oznaczało, że żaden z elementów stężających nie mógł być zaprojektowany z wykorzystaniem standardowych szczegółów połączeń.
Zespół projektowy opracował zwarte połączenia stężeń o następujących cechach:
- Blachy węzłowe o grubości 2 cali spawane do słupa i śrubowane do stężeń dwuteowych
- Słupy i blachy węzłowe spawane warsztatowo do płyt podstawy o grubości 6 cali (na siły ścinające i wyrywające)
- Płyty nakrywające dodane do elementów dwuteowych w celu spełnienia wymagań dotyczących smukłości i przeniesienia sił wiatrowych, optymalizując dobór przekroju
- Długie wycięcia w blachach węzłowych w celu zachowania istniejących połączeń płyt pasowych
Ze względu na nowe i istniejące szczegóły oraz nowe warunki obciążenia, inżynierowie konstruktorzy uznali zastosowanie metody sił jednolitych (Uniform Force Method) w połączeniach z blachą węzłową (tradycyjne obliczenia AISC) za niepraktyczne.
Rozwiązaniem było zastosowanie IDEA StatiCa do projektowania i weryfikacji połączeń belka–słup–stężenie w projekcie. Zastosowanie CBFEM pozwoliło na dokładne odwzorowanie rozkładu naprężeń w istniejących połączeniach, optymalizację materiałów oraz uniknięcie stosowania dodatkowych blach wzmacniających lub usztywnień.
IDEA StatiCa została zwalidowana i zweryfikowana dla połączenia stężenia w węźle belka–słup w ramie stężonej zgodnie z procedurą AISC. W tym badaniu weryfikacyjnym przeanalizowano dziesięć komponentów: stężenie, pas i środnik belki, pas i środnik słupa, kątowniki łączące, blachę węzłową, blachy łączące między stężeniem a blachą węzłową, kątowniki łączące do słupa, kątowniki łączące do belki, śruby oraz spoiny. Wszystkie komponenty są projektowane zgodnie z wymaganiami AISC 360-16. Przedstawione połączenie pochodzi z AISC Design Guide 29.
Podsumowanie
Przekształcając istniejące podium, pierwotnie przeznaczone dla hotelu, w fundament 17-piętrowej wieży badawczej w kształcie łzy, projekt przesunął granice adaptacyjności i optymalizacji konstrukcji. Dzięki zastosowaniu strategii projektowania parametrycznego, zaawansowanych rozwiązań transferu obciążeń oraz precyzyjnie zaprojektowanych połączeń stalowych, zespół pokonał wyzwania wynikające z istniejącego układu konstrukcyjnego, spełniając jednocześnie rygorystyczne kryteria drgań wymagane w środowiskach wrażliwych laboratoriów.
Wypróbuj IDEA StatiCa za darmo
