Robbins Engineering, opgericht in 2004 in Little Rock, Arkansas, ontwierp deze FBO (Fixed Base Operator) terminal en hangar voor zakelijke luchtvaartklanten op een hooggelegen luchthaven met orkaan-krachtige windsnelheden.
Het meest opvallende onderdeel van dit unieke project waren de 132 voet overspannende gebogen vakwerkliggers die de 40 voet hoge overkapping voor vliegtuigen ondersteunen.
Constructie en Ontwerp
De overkapping is ontworpen als een constructie waaronder vliegtuigen kunnen rijden voor het in- en uitstappen van passagiers. Maar dit type constructie heeft een groot oppervlak en wordt voornamelijk belast door wind.
Het ontwerpteam onderzocht verschillende opties voordat het koos voor gebogen vakwerkliggers ondersteund door samengestelde getraliede kolommen (Figuur 1). Twee W24x192 kolommen, 4 voet uit elkaar met ronde staaf X-schoren en W8 staven ertussen, vormen elk van de 4 samengestelde kolommen. De gebogen vakwerkliggers zijn 6 voet diep, met WT12x88 gordingen en dubbele hoekstaal lijfstaven.
Figuur 1. RAM Elements model van de hoge overkapping voor vliegtuigen.
De 132 voet vrije overspanning heeft één in het veld gebout lasverbindingspunt nabij het midden van de overspanning. Elk uiteinde van elke vakwerkligger is bevestigd aan de binnenflenzen van de W24 kolom via gebout kopplaat momentverbindingen (Figuur 2). Uitkragende vakwerkgedeelten van 10 en 20 voet zijn op vergelijkbare wijze bevestigd aan de buitenflenzen van de kolommen. Verticale X-schoren aangebracht tussen elk paar vakwerkliggers, evenals hoekstaal traliëring in de vlakken van zowel de boven- als ondergording, vormen een ruimtevakwerk tussen elk paar samengestelde kolommen. Dit creëert het momentframe in de langsrichting. Elk paar getraliede kolommen functioneert als uitkragende verticale vakwerkliggers in de loodrechte as. Betonnen trekbalken verbinden de kolommen in de langsrichting om de stuwkracht van de bogen onder zwaartekrachtbelastingen te weerstaan.
Figuur 2. WT vakwerkgording verbonden met de W24 kolom via kopplaten geanalyseerd in Idea Statica
Connection. Uitkraging links van de kolom, terugspanning rechts.
Gebruik van de IDEA StatiCa applicatie
Jason McCool, Project ingenieur bij Robbins Engineering, PLLC:
Andere primaire verbindingssoftware die we gewend waren te gebruiken, was niet in staat om een liggerlasnverbinding met WT-profielen te controleren. Omdat ik WT12x88 profielen gebruikte voor de gordingen van onze gebogen overkappingsvakwerkliggers, loste de IDEA StatiCa applicatie op wat anders trage handberekeningen of vervelende spreadsheetcreatie zou zijn geweest. Met behulp hiervan controleerde ik snel de lasverbinding met zowel kopplaten als overlappende afschuifplaten en itereerde naar de uiteindelijke geoptimaliseerde oplossing van overlappende platen in dubbele afschuiving, zelfs terwijl ik nog mijn globale analysemodel aan het ontwikkelen was. Helaas is er geen BIM-koppeling voor de software die we gebruikten voor het globale model, dus ik kon geen gebruik maken van die functies om geometrie- en belastingsinformatie over te dragen, maar alleen al de mogelijkheid om snel niet-typische opties te verkennen en aan te passen waar nodig was een enorme hulp.
De kopplaat momentverbinding van de WT gordingen naar de kolommen was een ander kritisch onderdeel voor ons dat andere software niet kon analyseren. StatiCa stelde me in staat om met vertrouwen onnodige verstijvers te elimineren en meer materiaal te plaatsen waar het het meest nuttig was. Lassen konden worden gedimensioneerd met de wetenschap dat niet-uniforme spanning in de lassen direct in rekening werd gebracht in plaats van gangbare aannames van uniformiteit of de toepassing van willekeurige verhogingsfactoren die proberen eventuele spanningsconcentraties te omhullen.
Dit voorbeeld van een open web stalen ligger die rust op een kolom verstijverplaat is een ander geval waarbij andere software tekortschiet. De gebruikelijke aanname is dat de verstijverplaat alleen onderhevig is aan de trek- of drukkracht die wordt gecreëerd door de flensenkrachten in de ligger die in de kolom worden overgedragen terwijl de constructie vervormt. Maar Idea Statica maakt interactie-effecten mogelijk zoals druk in het vlak en buiging buiten het vlak zoals in dit geval, of een ander veelvoorkomend geval van 4-weg momentverbindingen die de continuïteitsplaten in de sterke as in biaxiale trek brengen.
Hieronder is een windschoorverbinding met een relatief kleine W-kolom op het FBO (Fixed Base Operator) gebouwgedeelte van het project. De schoorbelasting is wind en niet seismisch en is relatief klein bij dit knooppunt. Maar dit is een andere verbindingsconfiguratie die simpelweg niet wordt behandeld door onze andere verbindingsontwerpsoftware. In plaats van tijd te besteden aan vervelende handberekeningen of de "gemakkelijke" weg te nemen door snel onnodige verstijverplaten toe te voegen of een zeer dikke kopplaat te gebruiken om ruim aan de conservatieve kant te blijven, maakt IDEA StatiCa Connection een eenvoudige verificatie mogelijk dat de voorgestelde verbinding meer dan toereikend is.
Het resultaat is een zeer strakke verbinding die ook gemakkelijker te fabriceren is zonder de extra kolom verstijverplaten. Later deed zich een andere potentiële toepassing van deze verbinding voor op een ander deel van het gebouw op een iets zwaardere kolom, maar dit keer met 5 keer de schoorbelasting. Ik had een template gemaakt van het eerste geval en kon dit snel toepassen op de nieuwe locatie en bevestigen dat dezelfde configuratie werkte, opnieuw zonder verstijvers. Bovendien is die template nu beschikbaar voor hergebruik op andere projecten.
Conclusie
REC profiteerde op verschillende manieren van IDEA StatiCa Connection. Hoewel we andere verbindingsontwerpsoftware gebruiken, is geen ervan zo open-ended. Ze zijn allemaal formulegestuurd en daardoor beperkt tot welke formules ook zijn afgeleid in verschillende normen en standaarden en vervolgens zijn geprogrammeerd door de softwareontwikkelaar. Maar IDEA StatiCa begint echt op een hoger niveau dan de anderen ooit kunnen bereiken door verbindingen te kunnen opbouwen vanuit basiscomponenten tot complexe configuraties die de programmeur niet van tevoren had kunnen anticiperen. Met CBFEM als basis voor de berekeningen ben ik lang niet zo beperkt tot wat een programmeur van tevoren kon bedenken. Asymmetrische profielen en boutpatronen, complexe arrangementen van verstijvers, het bepalen van de toereikendheid van als-gebouwde verbindingen met "ontbrekende" componenten – dit alles is mogelijk met Idea Statica waar andere programma's geprogrammeerde aannames hebben zoals symmetrische arrangementen, eenvoudige stuksgewijze analyse zonder interactie tussen verschillende onderdelen, enz.