Life Science Research gebouw in Philadelphia
Over het project
Een 5100 ton stalen constructie gebouwd bovenop een bestaand twee verdiepingen tellend podium dat oorspronkelijk ontworpen was om verticale uitbreiding te ondersteunen. Een verandering van gebruik voor de nieuwe constructie vereiste een zeer gespecialiseerde ingenieursaanpak om ervoor te zorgen dat de bestaande constructie de herziene functie kon accommoderen.
De traanvormige geometrie introduceerde extra complexiteiten in lastverdeling, zijdelingse stabiliteit en verbindingsdetaillering—wat geavanceerde analysetools noodzakelijk maakte om materiaalgebruik te optimaliseren en naadloze integratie met de nieuwe ontwerpvisie te garanderen.
Technische uitdagingen
Een kernvereiste was het integreren van laboratoria, elk met een strikte vierkante afmeting van 11 voet. Om dit te bereiken gebruikten ingenieurs van CannonDesign een parametrische ontwerpstrategie, waarbij ze een algoritme ontwikkelden dat honderden potentiële gebouwgeometrieën kon evalueren. Deze aanpak stelde het team in staat om een optimale configuratie te bepalen die paste binnen de beperkingen van het bestaande podium terwijl het efficiënt lasten overdroeg van de bovenste niveaus en kosteneffectief bleef. Bijvoorbeeld, het algoritme werd verfijnd om specifieke kritieke kolomlocaties te behouden terwijl gelijktijdig het aantal herhalende structurele overspanningen van 33 voet dat gecreëerd kon worden werd verhoogd.
De positie van de verstijfde raamkern binnen het podium was gekoppeld aan de locatie van bestaande balken, kolommen en funderingen. Desondanks was het noodzakelijk om het kolomraster op de bovenste verdiepingen opnieuw uit te lijnen. Daarom werden overdrachtsliggers geïntegreerd in de constructie.
Meer informatie over het project kan gelezen worden in het AISC Modern Steel Magazine artikel: Podium Possibilities door John Roach, PE, SE.
Stalen verbindingsontwerp
Een van de lastige aspecten van het project was het aanpakken van complexe verbindingen veroorzaakt door de gebogen geometrie van het gebouw. De verstijfde overspanningen volgden de traanvormige buitenkant, wat betekende dat geen van de verstijfingselementen kon worden opgelost met standaard verbindingsdetails.
Het ontwerpteam ontwikkelde compacte verstijfingsverbindingen met de volgende kenmerken:
- 2 inch dikke knooppunten gelast aan de kolom en gebout aan brede flens verstijfingen
- Kolommen en knooppunten in de werkplaats gelast aan 6 inch dikke basisplaten (voor afschuif- en ophefdkrachten)
- Dekplaten toegevoegd aan brede-flens elementen om te voldoen aan slankheidsbeperkingen en windkrachten te weerstaan om de dwarsdoorsnede selectie te optimaliseren
- Lange inkepingen op de knooppunten om de bestaande flensplaat verbindingen te behouden
Vanwege de nieuwe en bestaande details en nieuwe belastingscondities vonden constructie-ingenieurs het onpraktisch om de Uniforme Kracht Methode te gebruiken bij knooppuntverbindingen (AISC traditionele berekeningen).
De oplossing was het gebruik van IDEA StatiCa om de balk-kolom verstijfingsverbindingen van het project te ontwerpen en valideren. Het gebruik van CBFEM hielp om spanningsmultiplicatie in de bestaande verbindingen nauwkeurig vast te leggen, materialen te optimaliseren en het gebruik van extra verdubbeling platen of verstijvers te vermijden.
IDEA StatiCa is gevalideerd en geverifieerd voor verstijfingsverbinding bij balk-kolom verbindding in een verstijfd raam met de AISC procedure. In deze verificatiestudie worden tien componenten onderzocht: verstijving, balkflens en lijf, kolomflens en lijf, verbindingshoeken, knooppuntplaat, splitsplaten tussen verstijving en knooppuntplaat, verbindingshoeken naar de kolom, verbindingshoeken naar de balk, bouten en lassen. Alle componenten zijn ontworpen volgens AISC 360-16 specificaties. De gepresenteerde verbinding is genomen uit AISC Design Guide 29.
Conclusie
Door het transformeren van een bestaand podium oorspronkelijk bedoeld voor een hotel tot de fundering voor een 17 verdiepingen tellende traanvormige onderzoekstoren, duwde het project de grenzen van structurele aanpasbaarheid en optimalisatie op. Door het gebruik van parametrische ontwerp strategieën, geavanceerde lastoverdracht oplossingen, en precisie-geëngineerde stalen verbindingen, overwon het team de uitdagingen gesteld door het bestaande raamwerk terwijl het voldeed aan de strenge trillingscriteria vereist voor gevoelige laboratoriumomgevingen.