Life Science Research Gebäude in Philadelphia
Über das Projekt
Eine 5100 Tonnen schwere Stahlkonstruktion, die auf einem bestehenden zweistöckigen Podium errichtet wurde, das ursprünglich zur Unterstützung einer vertikalen Erweiterung konzipiert war. Eine Nutzungsänderung der neuen Struktur erforderte einen hochspezialisierten ingenieurtechnischen Ansatz, um sicherzustellen, dass die bestehende Struktur die überarbeitete Funktion aufnehmen konnte.
Die tropfenförmige Geometrie brachte zusätzliche Komplexitäten bei der Lastverteilung, der seitlichen Stabilität und der Anschlussdetaillierung mit sich—was fortschrittliche Analysewerkzeuge zur Optimierung des Materialeinsatzes und zur Gewährleistung einer nahtlosen Integration mit der neuen Entwurfsvision erforderlich machte.
Ingenieurtechnische Herausforderungen
Eine Schlüsselanforderung war die Eingliederung von Laboren, jedes mit einer strengen quadratischen Dimension von 11 Fuß. Um dies zu erreichen, setzten Ingenieure von CannonDesign eine parametrische Entwurfsstrategie ein und entwickelten einen Algorithmus, der Hunderte von potenziellen Gebäudegeometrien bewerten konnte. Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team, eine optimale Konfiguration zu bestimmen, die in die Zwänge des bestehenden Podiums passt, während sie gleichzeitig Lasten von den oberen Ebenen effizient überträgt und kosteneffektiv bleibt. Beispielsweise wurde der Algorithmus verfeinert, um spezifische kritische Stützenpositionen beizubehalten und gleichzeitig die Anzahl der wiederholbaren 33-Fuß-Strukturfelder zu erhöhen, die erstellt werden konnten.
Die Position des ausgesteiften Rahmenkerns innerhalb des Podiums war an die Lage bestehender Balken, Stützen und Fundamente gebunden. Dennoch war es notwendig, das Stützenraster in den oberen Geschossen neu auszurichten. Daher wurden Übertragungsfachwerke in die Struktur integriert.
Weitere Informationen über das Projekt können im AISC Modern Steel Magazine Artikel: Podium Possibilities von John Roach, PE, SE gelesen werden.
Stahlverbindungsdesign
Einer der kniffligen Aspekte des Projekts war die Bewältigung komplexer Verbindungen, die durch die gekrümmte Geometrie des Gebäudes verursacht wurden. Die ausgesteiften Felder folgten der tropfenförmigen Außenhülle, was bedeutete, dass keines der Versteifungselemente mit standardisierten Verbindungsdetails gelöst werden konnte.
Das Entwurfsteam entwickelte kompakte Aussteifungsverbindungen mit folgenden Eigenschaften:
- 2 Zoll dicke Knotenblechplatten, die an die Stütze geschweißt und an Breitflanschversteifungen geschraubt sind
- Stützen und Knotenblechplatten werksseitig an 6 Zoll dicke Grundplatten geschweißt (für Scher- und Abhebungskräfte)
- Deckplatten zu Breitflanschbauteilen hinzugefügt, um Schlankheitsgrenzen einzuhalten und Windkräften zu widerstehen, um die Querschnittswahl zu optimieren
- Lange Aussparungen an den Knotenblechen zur Beibehaltung der bestehenden Flanschplattenverbindungen
Aufgrund der neuen und bestehenden Details und neuen Lastbedingungen fanden es die Bauingenieure unpraktisch, die Uniform Force Method bei Knotenblechverbindungen zu verwenden (traditionelle AISC-Berechnungen).
Die Lösung war die Verwendung von IDEA StatiCa zur Auslegung und Validierung der Balken-Stützen-Versteifungsverbindungen des Projekts. Die Verwendung von CBFEM half dabei, die Spannungsverteilung in den bestehenden Verbindungen genau zu erfassen, Materialien zu optimieren und die Verwendung zusätzlicher Dopplerplatten oder Versteifungen zu vermeiden.
IDEA StatiCa wurde für Versteifungsverbindungen bei Balken-Stützen-Verbindungen in einem ausgesteiften Rahmen mit dem AISC-Verfahren validiert und verifiziert. In dieser Verifizierungsstudie werden zehn Komponenten untersucht: Versteifung, Balkenflansch und -steg, Stützenflansch und -steg, Verbindungswinkel, Knotenblech, Stoßplatten zwischen Versteifung und Knotenblech, Verbindungswinkel zur Stütze, Verbindungswinkel zum Balken, Schrauben und Schweißnähte. Alle Komponenten sind nach AISC 360-16 Spezifikationen ausgelegt. Die dargestellte Verbindung stammt aus dem AISC Design Guide 29.
Fazit
Durch die Umwandlung eines bestehenden Podiums, das ursprünglich für ein Hotel vorgesehen war, in das Fundament für einen 17-stöckigen tropfenförmigen Forschungsturm durchbrach das Projekt die Grenzen struktureller Anpassungsfähigkeit und Optimierung. Durch den Einsatz von Strategien des parametrischen Designs, fortschrittlichen Lastübertragungslösungen und präzisionsgefertigten Stahlverbindungen überwand das Team die Herausforderungen des bestehenden Rahmenwerks und erfüllte gleichzeitig die strengen Schwingungskriterien, die für empfindliche Laborumgebungen erforderlich sind.