Bâtiment de recherche en sciences de la vie à Philadelphie
À propos du projet
Une structure en acier de 5100 tonnes construite au-dessus d'un podium existant de deux étages initialement conçu pour supporter une expansion verticale. Un changement d'usage pour la nouvelle structure a nécessité une approche d'ingénierie hautement spécialisée pour s'assurer que la structure existante puisse accommoder la fonction révisée.
La géométrie en forme de larme a introduit des complexités supplémentaires dans la distribution des charges, la stabilité latérale et les détails de connexion—nécessitant des outils d'analyse avancés pour optimiser l'utilisation des matériaux et garantir une intégration transparente avec la nouvelle vision de conception.
Défis d'ingénierie
Une exigence clé était d'incorporer des laboratoires, chacun avec une dimension carrée stricte de 11 pieds. Pour y parvenir, les ingénieurs de CannonDesign ont employé une stratégie de conception paramétrique, développant un algorithme capable d'évaluer des centaines de géométries de bâtiment potentielles. Cette approche a permis à l'équipe de déterminer une configuration optimale qui s'adapte aux contraintes du podium existant tout en transférant efficacement les charges des niveaux supérieurs et en restant rentable. Par exemple, l'algorithme a été affiné pour maintenir des emplacements de colonnes critiques spécifiques tout en augmentant simultanément le nombre de travées structurelles répétitives de 33 pieds qui pouvaient être créées.
La position du noyau de cadre contreventé dans le podium était liée à l'emplacement des poutres, colonnes et fondations existantes. Néanmoins, il était nécessaire de réaligner la grille de colonnes aux étages supérieurs. Par conséquent, des fermes de transfert ont été intégrées dans la structure.
Plus d'informations sur le projet peuvent être lues dans l'article AISC Modern Steel Magazine : Podium Possibilities par John Roach, PE, SE.
Conception des connexions en acier
L'un des aspects délicats du projet était de traiter les connexions complexes causées par la géométrie courbe du bâtiment. Les travées contreventées suivaient l'extérieur en forme de larme, ce qui signifiait qu'aucun des éléments de contreventement ne pouvait être résolu en utilisant des détails de connexion standard.
L'équipe de conception a développé des connexions de contreventement compactes avec les caractéristiques suivantes :
- Plaques de gousset de 2 pouces d'épaisseur soudées à la colonne et boulonnées aux contreventements à large bride
- Colonnes et plaques de gousset soudées en atelier à des plaques de base de 6 pouces d'épaisseur (pour les forces de cisaillement et de soulèvement)
- Plaques de recouvrement ajoutées aux éléments à large bride pour respecter les limites d'élancement et résister aux forces du vent afin d'optimiser la sélection de section transversale
- Longues encoches sur les goussets pour maintenir les connexions de plaques de bride existantes
En raison des détails nouveaux et existants et des nouvelles conditions de charge, les ingénieurs structurels ont trouvé impraticable d'utiliser la Méthode de Force Uniforme dans les connexions de plaques de gousset (calculs traditionnels AISC).
La solution était d'utiliser IDEA StatiCa pour concevoir et valider les connexions poutre-colonne-contreventement du projet. L'utilisation de CBFEM a aidé à capturer avec précision la distribution des contraintes dans les connexions existantes, optimisant les matériaux et évitant l'utilisation de plaques de doublage ou de raidisseurs supplémentaires.
IDEA StatiCa a été validé et vérifié pour la connexion de contreventement à la connexion poutre-colonne dans un cadre contreventé avec la procédure AISC. Dans cette étude de vérification, dix composants sont examinés : contreventement, bride et âme de poutre, bride et âme de colonne, cornières de connexion, plaque de gousset, plaques d'éclissage entre contreventement et plaque de gousset, cornières de connexion à la colonne, cornières de connexion à la poutre, boulons et soudures. Tous les composants sont conçus selon les spécifications AISC 360-16. La connexion présentée est tirée du Guide de Conception AISC 29.
Conclusion
En transformant un podium existant initialement destiné à un hôtel en fondation pour une tour de recherche de 17 étages en forme de larme, le projet a repoussé les limites de l'adaptabilité structurelle et de l'optimisation. Grâce à l'utilisation de stratégies de conception paramétrique, de solutions de transfert de charge avancées et de connexions en acier d'ingénierie de précision, l'équipe a surmonté les défis posés par le cadre existant tout en respectant les critères de vibration stricts requis pour les environnements de laboratoire sensibles.