Über das Projekt
Eine 5100 Tonnen schwere Stahlstruktur, die auf einem bestehenden zweigeschossigen Podium errichtet wurde, das ursprünglich für eine vertikale Erweiterung ausgelegt war. Eine Nutzungsänderung für die neue Struktur erforderte einen hochspezialisierten ingenieurtechnischen Ansatz, um sicherzustellen, dass die bestehende Struktur die geänderte Nutzung aufnehmen kann.
Die Tropfengeometrie brachte zusätzliche Komplexitäten bei der Lastverteilung, der Seitensteifigkeit und der Verbindungsdetaillierung mit sich – was den Einsatz fortschrittlicher Analysetools erforderte, um den Materialeinsatz zu optimieren und eine nahtlose Integration in die neue Designvision zu gewährleisten.
Ingenieurtechnische Herausforderungen
Eine wesentliche Anforderung war die Integration von Laboren, die jeweils eine strenge quadratische Abmessung von 11 Fuß aufweisen mussten. Um dies zu erreichen, setzten die Ingenieure von CannonDesign eine parametrische Entwurfsstrategie ein und entwickelten einen Algorithmus, der in der Lage ist, Hunderte potenzieller Gebäudegeometrien zu bewerten. Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team, eine optimale Konfiguration zu ermitteln, die innerhalb der Randbedingungen des bestehenden Podiums liegt, Lasten aus den oberen Geschossen effizient überträgt und wirtschaftlich bleibt. So wurde der Algorithmus beispielsweise verfeinert, um bestimmte kritische Stützenstandorte beizubehalten und gleichzeitig die Anzahl der sich wiederholenden tragwerksbezogenen Felder mit 33 Fuß zu erhöhen.
Die Position des ausgesteiften Rahmenkerns innerhalb des Podiums war an die Lage der vorhandenen Träger, Stützen und Fundamente gebunden. Dennoch war es erforderlich, das Stützenraster in den Obergeschossen neu auszurichten. Daher wurden Umlagerungsfachwerke in die Struktur integriert.
Weitere Informationen zum Projekt sind im AISC Modern Steel Magazine Artikel: Podium Possibilities von John Roach, PE, SE zu finden.
Bemessung von Stahlanschlüssen
Einer der anspruchsvollen Aspekte des Projekts war die Behandlung komplexer Verbindungen, die durch die gekrümmte Geometrie des Gebäudes entstanden. Die ausgesteiften Felder folgten der tropfenförmigen Außenhülle, was bedeutete, dass keines der Aussteifungsbauteile mit standardmäßigen Verbindungsdetails gelöst werden konnte.
Das Entwurfsteam entwickelte kompakte Aussteifungsverbindungen mit folgenden Merkmalen:
- 50 mm dicke Knotenbleche, die an die Stütze geschweißt und mit Breitflanschaussteifungen verschraubt sind
- Stützen und Knotenbleche werkseitig an 150 mm dicke Fußplatten geschweißt (für Querkraft- und Abhebkräfte)
- Abdeckplatten an Breitflanschbauteilen zur Einhaltung der Schlankheitsgrenzen und zur Aufnahme von Windkräften zur Optimierung der Querschnittsauswahl
- Lange Ausklinkungen an den Knotenblechen zur Beibehaltung der vorhandenen Flanschplattenverbindungen
Aufgrund der neuen und bestehenden Details sowie der neuen Lastbedingungen erwiesen sich die Uniform Force Method für Knotenblechverbindungen (traditionelle AISC-Berechnungen) für die Tragwerksplaner als unpraktisch.
Die Lösung bestand darin, IDEA StatiCa zur Bemessung und Validierung der Träger-Stützen-Aussteifungsverbindungen des Projekts einzusetzen. Der Einsatz von CBFEM ermöglichte eine genaue Erfassung der Spannungsverteilung in den bestehenden Verbindungen, die Optimierung der Materialien und die Vermeidung zusätzlicher Stegverstärkungsplatten oder Steifen.
IDEA StatiCa wurde für Aussteifungsverbindungen am Träger-Stützen-Anschluss in einem ausgesteiften Tragwerk nach dem AISC-Verfahren validiert und verifiziert. In dieser Verifizierungsstudie werden zehn Komponenten untersucht: Aussteifung, Trägerflansch und -steg, Stützenflansch und -steg, Verbindungswinkel, Knotenblech, Laschen zwischen Aussteifung und Knotenblech, Verbindungswinkel zur Stütze, Verbindungswinkel zum Träger, Schrauben und Schweißnähte. Alle Komponenten werden gemäß AISC 360-16 bemessen. Die dargestellte Verbindung ist dem AISC Design Guide 29 entnommen.
Fazit
Durch die Umnutzung eines bestehenden Podiums, das ursprünglich für ein Hotel vorgesehen war, zur Grundlage eines 17-geschossigen, tropfenförmigen Forschungsturms hat das Projekt die Grenzen der tragwerksbezogenen Anpassungsfähigkeit und Optimierung verschoben. Durch den Einsatz von parametrischen Entwurfsstrategien, fortschrittlichen Lastübertragungslösungen und präzisionsgefertigten Stahlanschlüssen überwand das Team die Herausforderungen des bestehenden Tragwerks und erfüllte gleichzeitig die strengen Schwingungskriterien für empfindliche Laborumgebungen.
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