O projekcie
Centrum edukacyjne w Tallinie to czterokondygnacyjna konstrukcja zaprojektowana w celu zastąpienia przestarzałego obiektu nowoczesnym, wielofunkcyjnym budynkiem. Budynek o powierzchni brutto 13 566 m² ma 18 metrów wysokości i wykorzystuje beton, stal oraz mury jako główne materiały konstrukcyjne. Pionowy układ nośny składa się przede wszystkim z żelbetowych słupów i ścian murowanych, które nie tylko zapewniają niezbędne podparcie, ale również przyczyniają się do globalnej sztywności budynku. Poziome elementy nośne to głównie płyty kanałowe oparte na prefabrykowanych belkach, przy czym w niektórych strefach zastosowano płyty wylewane na miejscu budowy jako dodatkowe elementy nośne.
Czwarta kondygnacja i konstrukcja dachu prezentują przejście ku stalowej konstrukcji, z zastosowaniem stalowych słupów i belek dla zwiększonej elastyczności i zmniejszenia ciężaru. Budynek posadowiony jest na 831 palach o łącznej długości 21 000 metrów, co zapewnia solidny fundament pomimo trudnych warunków gruntowych. Łączna objętość betonu użytego w konstrukcji, z wyłączeniem pali, wynosi 3 560 m³, a stalowe elementy ważą około 430 000 kg.
Wyzwania inżynierskie
Jednym z głównych wyzwań w tym projekcie było zaprojektowanie belki ażurowej o długości 80,70 metra. Belka ta musiała pokryć rozległe rozpiętości na trzeciej kondygnacji, zapewniając otwartą przestrzeń wolną od słupów zgodnie z wizją architektoniczną. Poza zapewnieniem integralności konstrukcyjnej dużych otwartych przestrzeni, belka musiała również umożliwiać przeprowadzenie przez swoją konstrukcję systemu kanałów wentylacyjnych.
Złożoność inżynierska była dodatkowo zwiększona przez konieczność podparcia sześciu przęseł na całej górnej kondygnacji, przy czym najdłuższe przęsło osiągało 27,49 metra. Ponadto ostatnie przęsło belki zostało zaprojektowane jako wspornik, który nie tylko wystawał na zewnątrz, ale również podpierał część płyty stropowej poniżej, co generowało znaczne obciążenie i wymagało skrupulatnej analizy i projektowania konstrukcji.
Po ocenie wszystkich danych wejściowych inżynierowie projektu Martin Truuts i Karl Kimmel stwierdzili, że belka ażurowa będzie optymalnym rozwiązaniem. Konstrukcja belki ażurowej naturalnie zapewnia otwory umożliwiające przeprowadzenie systemu kanałów, a jej duża efektywna wysokość pozwala na znaczną nośność przy stosunkowo minimalnym zużyciu materiału.
Wybór belki ażurowej był wyraźnie najlepszą opcją, ale wprowadził również dodatkowe wyzwania, w szczególności w zakresie zapewnienia stabilności konstrukcji na zwichrzenie i inne formy wyboczenia. Jako belka ciągła, stabilizacja dolnej półki w strefach podpartych była niezbędna. Zazwyczaj do rozwiązania tego problemu stosuje się ukośne stężenia, jednak rozwiązanie to nie było wykonalne ze względu na rozmieszczenie rur wentylacyjnych i wymagania architektoniczne dotyczące przestrzeni przyległej do belki. W rezultacie do zapewnienia niezbędnej stabilizacji wykorzystano „belki drugorzędne" prostopadłe do belki ażurowej.
Rozwiązania i wyniki
Zastrzeżenie:
Jak wspomniano wcześniej, problemy ze statecznością zostały rozwiązane poprzez połączenie „belek drugorzędnych" z bokami belki ażurowej. Projekt wykorzystał sztywność giętną belek drugorzędnych, przenosząc tę sztywność na dolną półkę belki ażurowej poprzez solidne połączenie. Takie podejście skutecznie ustabilizowało dolną półkę. W istocie połączenie między belkami drugorzędnymi a belką ażurową było tak solidne i sztywne, że spowodowało, iż belki drugorzędne w sąsiednich przęsłach funkcjonowały jako belki ciągłe, wpływając tym samym na rozkład obciążeń i sił wewnętrznych, co w tym przypadku oznaczało również przeniesienie większego obciążenia na belki ażurowe.
Projekt belki z otworami w środniku stanowił znaczące wyzwanie, jednak dzięki IDEA StatiCa byliśmy w stanie skutecznie zamodelować i przeanalizować całą konstrukcję. Możliwości oprogramowania pozwoliły nam zapewnić stateczność i funkcjonalność, jednocześnie uwzględniając niezbędne instalacje i systemy prowadzone w obrębie elementu.
Karl Kimmel
Inżynier konstruktor – EstKONSULT
Estonia
Aby rozwiązać problemy ze statecznością i uwzględnić sztywność połączeń w projekcie, inżynierowie zintegrowali pakiet aplikacji IDEA StatiCa — Checkbot, Member i Connection — w swój przepływ pracy. Inżynierowie Karl Kimmel i Martin Truuts zastosowali ustrukturyzowane podejście:
Tworzenie modelu globalnego: Proces rozpoczął się od stworzenia modelu globalnego w oprogramowaniu Robot Structural Analysis (RSA), w którym wprowadzono obciążenia i kombinacje obciążeń.
Integracja łącza BIM: Karl następnie użył łącza BIM do zaimportowania całej konstrukcji, w tym sił wewnętrznych dla wszystkich kombinacji obciążeń, do IDEA StatiCa Checkbot.
Projektowanie połączeń i obliczanie sztywności: W IDEA StatiCa Connection zaprojektowano poszczególne złącza i obliczono sztywność tych połączeń. Sztywność ta została następnie ponownie wprowadzona do modelu RSA, wpływając na wykres momentów gnących belki ażurowej i zachowanie powiązanych słupów.
Połączenie dwóch belek "drugorzędnych" z belką ażurową
Połączenie dwóch belek "drugorzędnych" z belką ażurową
Połączenie "drugorzędnych" belek do belki z otworami w środniku
Połączenie dwóch belek "drugorzędnych" z belką ażurową
Modelowanie elementów: Model został następnie odtworzony od podstaw w IDEA StatiCa Member. Wszystkie belki zostały zamodelowane jako „analizowane elementy" z wykorzystaniem elementów powłokowych do szczegółowego odwzorowania. Połączenia zostały zamodelowane i przypisane do odpowiednich węzłów, a krytyczne obciążenia zostały przyłożone do modelu w celu przeprowadzenia końcowej analizy.
Analiza elementów: W IDEA StatiCa Member zidentyfikowano postacie wyboczenia i odpowiadające im krytyczne współczynniki wyboczenia za pomocą Liniowej Analizy Wyboczeniowej. Krytyczne postacie wyboczenia zostały następnie przypisane wstępnym imperfekcjom i poddane dalszej analizie z zastosowaniem Geometrycznie i Materiałowo Nieliniowej Analizy z Imperfekcjami (GMNIA). Proces ten pomógł zidentyfikować słabe punkty w projekcie, umożliwiając wprowadzenie niezbędnych korekt. Kroki te były iteracyjne, a każdy cykl udoskonalał projekt w celu poprawy stateczności i wydajności.
Karl i Martin przeanalizowali około sześciu postaci wyboczenia, koncentrując się głównie na globalnych postaciach wyboczenia, ponieważ lokalnych postaci wyboczenia było niewiele. Potencjalne problemy z lokalnym wyboczeniem w projekcie rozwiązano poprzez zastosowanie usztywnień w celu ich wyeliminowania.
Wyniki: Po udoskonaleniu projektu do zadowalającego poziomu analiza GMNIA potwierdziła, że odkształcenia, naprężenia i odkształcenia plastyczne w końcowym projekcie są akceptowalne.
Weryfikacja i kontrola krzyżowa: W celu zapewnienia dokładności porównano siły wewnętrzne między RSA a IDEA StatiCa Member, zapewniając podwójną kontrolę wyników.
Użyliśmy aplikacji IDEA StatiCa Connection i Member w tandemie, aby określić sztywność połączeń oraz stateczność belki z otworami w środniku. Dodatkowo wykorzystaliśmy Connection application do projektowania innych połączeń stalowych w całym budynku oraz moduł żelbetowy aplikacji Member do analizy smukłych słupów żelbetowych.
Martin Truuts
Starszy inżynier konstruktor – EstKONSULT
Estonia
Inżynierowie wykorzystali możliwości aplikacji IDEA StatiCa Member, rozpoczynając od Liniowej Analizy Wyboczeniowej (LBA) i przechodząc do Geometrycznie i Materiałowo Nieliniowej Analizy z Imperfekcjami (GMNIA), najbardziej zaawansowanego rodzaju analizy dla obciążeń statycznych. W GMNIA wszystkie potencjalne imperfekcje — takie jak zmienna grubość blach, odchylenia od prostoliniowości, naprężenia resztkowe, niejednorodności materiałowe i błędy ustawienia podpór — są reprezentowane przez równoważne imperfekcje geometryczne. Imperfekcje te są definiowane przy użyciu postaci wyboczenia obliczonych przez LBA, przy czym użytkownik wybiera maksymalną amplitudę postaci wyboczenia dla imperfekcji.
Ponadto inżynier Karl Kimmel użył aplikacji IDEA StatiCa Member do Analizy Odporności Ogniowej belek, wykorzystując pełne możliwości narzędzia w celu zapewnienia, że konstrukcja spełnia wszystkie wymagania bezpieczeństwa pożarowego. Ta kompleksowa analiza pomogła potwierdzić zachowanie belek w warunkach pożarowych, dodatkowo wzmacniając ogólny projekt.
Podsumowanie
Projekt nowego centrum edukacyjnego w Tallinie jest świadectwem potęgi zaawansowanej inżynierii konstrukcyjnej i innowacyjnego projektowania. Wykorzystując możliwości IDEA StatiCa, zespół inżynierów z EstKonsult był w stanie przezwyciężyć znaczące wyzwania i dostarczyć solidny, elastyczny i nowoczesny obiekt spełniający potrzeby społeczności. Projekt ten pokazuje znaczenie stosowania najnowocześniejszych narzędzi i technik w połączeniu z innowacyjnym myśleniem inżynierskim w inżynierii konstrukcyjnej, aby realizować ambitne wizje architektoniczne i zapewniać bezpieczeństwo oraz funkcjonalność złożonych konstrukcji.
Wypróbuj IDEA StatiCa za darmo
Rozpocznij okres próbny już dziś i skorzystaj z 14 dni pełnego dostępu oraz usług bezpłatnie.
Rozpocznij bezpłatny okres próbny
