Robbins Engineering, założona w 2004 roku w Little Rock w stanie Arkansas, zaprojektowała ten terminal FBO (Fixed Base Operator) i hangar dla klientów lotnictwa biznesowego na lotnisku wysokogórskim z prędkościami wiatru o sile huraganu.
Najbardziej charakterystycznym elementem tego wyjątkowego projektu były łukowe kratownice o rozpiętości 132 stóp, podtrzymujące zadaszenie dla samolotów o wysokości 40 stóp.
Konstrukcja i projekt
Zadaszenie zostało zaprojektowane jako konstrukcja, pod którą samoloty mogą podjeżdżać w celu załadunku i rozładunku pasażerów. Tego rodzaju konstrukcja stanowi jednak dużą powierzchnię i jest obciążona głównie przez wiatr.
Zespół projektowy przeanalizował kilka wariantów, zanim zdecydował się na łukowe kratownice podparte słupami kratowymi (Rysunek 1). Każdy z 4 słupów kratowych tworzą dwa słupy W24x192 rozstawione o 4 stopy, z krzyżowym stężeniem z prętów okrągłych i ryglami W8 między nimi. Łukowe kratownice mają głębokość 6 stóp, z pasami z profili WT12x88 i skratowaniem z kątowników podwójnych.
Rysunek 1. Model RAM Elements wysokiego zadaszenia dla samolotów.
Rozpiętość 132 stóp posiada jeden montażowy punkt styku śrubowego w pobliżu połowy rozpiętości. Każdy koniec każdej kratownicy jest połączony z wewnętrzną półką słupa W24 za pomocą śrubowych połączeń momentowych na płytach czołowych (Rysunek 2). Wspornikowe odcinki kratownicy o długości 10 i 20 stóp są w podobny sposób połączone z zewnętrznymi półkami słupów. Pionowe stężenia krzyżowe zamontowane między każdą parą kratownic, a także kratowanie kątownikowe w płaszczyznach zarówno górnego, jak i dolnego pasa, tworzą kratownicę przestrzenną między każdą parą słupów kratowych. Tworzy to ramę momentową w kierunku podłużnym. Każda para słupów kratowych działa jak wspornikowe kratownice pionowe w osi prostopadłej. Żelbetowe belki ściągające łączą słupy w kierunku podłużnym, aby przenosić parcie łuków pod obciążeniami grawitacyjnymi.
Rysunek 2. Pas kratownicy WT połączony ze słupem W24 za pomocą płyt czołowych, analizowany w Idea Statica
Connection. Wspornik po lewej stronie słupa, przęsło główne po prawej.
Pełny artykuł autorstwa Jasona McCoola jest dostępny na stronie internetowej magazynu STRUCTURE.
Zastosowanie aplikacji IDEA StatiCa
Jason McCool, inżynier projektu w Robbins Engineering, PLLC:
Inne podstawowe oprogramowanie do projektowania połączeń, z którego korzystaliśmy, nie było w stanie sprawdzić połączenia stykowego belki z przekrojami WT. Ponieważ zastosowałem profile WT12x88 jako pasy łukowych kratownic zadaszenia, aplikacja IDEA StatiCa rozwiązała problem, który w przeciwnym razie wymagałby żmudnych obliczeń ręcznych lub tworzenia skomplikowanych arkuszy kalkulacyjnych. Dzięki niej szybko sprawdziłem połączenie stykowe z obiema płytami czołowymi i nakładkowymi płytami ścinającymi, iterując do ostatecznego zoptymalizowanego rozwiązania z nakładkowymi płytami w podwójnym ścinaniu – nawet gdy wciąż rozwijałem globalny model obliczeniowy. Niestety, nie ma łącza BIM dla oprogramowania, którego użyłem do modelu globalnego, więc nie mogłem skorzystać z tych funkcji do przeniesienia geometrii i informacji o obciążeniach, ale sama możliwość szybkiego eksplorowania niestandardowych opcji i wprowadzania korekt w miarę potrzeb była ogromną pomocą.
Połączenie momentowe na płycie czołowej między pasami WT a słupami było kolejnym kluczowym elementem, którego inne oprogramowanie nie mogło przeanalizować. StatiCa pozwoliła mi pewnie wyeliminować zbędne usztywnienia i umieścić więcej materiału tam, gdzie był najbardziej potrzebny. Spoiny mogły być zwymiarowane z uwzględnieniem niejednorodnego rozkładu naprężeń, bezpośrednio uwzględnionego w obliczeniach, zamiast powszechnych założeń o jednorodności lub stosowania arbitralnych współczynników zwiększających, które próbują objąć wszelkie potencjalne koncentracje naprężeń.
Ten przykład otwartej kratownicy stalowej opartej na płycie usztywniającej słupa to kolejny przypadek, w którym inne oprogramowanie zawodzi. Typowe założenie jest takie, że płyta usztywniająca jest poddana jedynie rozciąganiu lub ściskaniu wytwarzanemu przez siły w półkach belki przenoszone na słup podczas odkształcenia ramy. Jednak Idea Statica uwzględnia efekty interakcji, takie jak ściskanie w płaszczyźnie i zginanie poza płaszczyzną, jak w tym przypadku, lub inny częsty przypadek połączeń momentowych czterokierunkowych, w których płyty ciągłości osi silnej są poddane dwuosiowemu rozciąganiu.
Poniżej przedstawiono połączenie stężenia wiatrowego ze stosunkowo małym słupem W w części budynku FBO (Fixed Base Operator) projektu. Obciążenie stężenia pochodzi od wiatru, a nie od trzęsienia ziemi, i jest stosunkowo małe w tym węźle. Jest to jednak kolejna konfiguracja połączenia, która po prostu nie jest obsługiwana przez inne nasze oprogramowanie do projektowania połączeń. Zamiast poświęcać czas na żmudne obliczenia ręczne lub iść na łatwiznę, szybko dodając zbędne płyty usztywniające lub stosując bardzo grubą płytę czołową, aby zachować dużą rezerwę bezpieczeństwa, IDEA StatiCa Connection umożliwia prostą weryfikację, że proponowane połączenie jest z nadwyżką wystarczające.
Wynikiem jest bardzo czyste złącze, które jest również łatwiejsze do wykonania bez dodatkowych płyt usztywniających słup. Później inne potencjalne zastosowanie tego połączenia pojawiło się w innej części budynku na nieco cięższym słupie, ale tym razem z 5-krotnie większym obciążeniem stężenia. Stworzyłem szablon na podstawie pierwszego przypadku i byłem w stanie szybko zastosować go do nowej lokalizacji i potwierdzić, że ta sama konfiguracja sprawdza się, ponownie bez usztywnień. Ponadto ten szablon jest teraz dostępny do ponownego wykorzystania w innych projektach.
Podsumowanie
REC skorzystało na kilka sposobów z posiadania IDEA StatiCa Connection. Chociaż korzystamy z innego oprogramowania do projektowania połączeń, żadne z nich nie jest tak otwarte. Wszystkie są oparte na formułach, a zatem ograniczone do formuł wyprowadzonych w różnych normach i standardach, a następnie zaprogramowanych przez twórcę oprogramowania. Jednak IDEA StatiCa naprawdę zaczyna na wyższym poziomie, niż inne mogą kiedykolwiek osiągnąć, dzięki możliwości budowania węzłów z podstawowych komponentów w złożone konfiguracje, których programista nie byłby w stanie z góry przewidzieć. Dzięki CBFEM wspierającemu obliczenia, nie jestem tak bardzo ograniczony do tego, co programista mógł sobie wcześniej wyobrazić. Przekroje asymetryczne i wzory rozmieszczenia śrub, złożone układy usztywnień, ocena nośności węzłów wykonanych z „brakującymi" elementami – to wszystko jest możliwe w Idea Statica, podczas gdy inne programy mają zaprogramowane założenia, takie jak symetryczne układy, prosta analiza cząstkowa bez interakcji między różnymi częściami itp.