Überdachung der Durchfahrt am Rocky Mountain Metropolitan Airport
Robbins Engineering*, gegründet 2004 in Little Rock, Arkansas, bemessene dieses FBO-Terminal (Fixed Base Operator) und einen Hangar für Geschäftsluftfahrtkunden an einem Hochgebirgsflughafen mit orkanartigen Windgeschwindigkeiten.
Das markanteste Element dieses einzigartigen Projekts waren 132 Fuß (ca. 40 m) weit gespannte Bogenfachwerke, die die 40 Fuß (ca. 12 m) hohe Flugzeugüberdachung tragen.
Struktur und Bemessung
Die Überdachung wurde als Konstruktion bemessen, unter die Flugzeuge zum Be- und Entladen von Passagieren fahren können. Diese Art von Konstruktion stellt jedoch eine große Fläche dar und wird hauptsächlich durch Wind beansprucht.
Das Planungsteam untersuchte mehrere Varianten, bevor es sich für Bogenfachwerke entschied, die von zusammengesetzten Gitterstützen getragen werden (Abbildung 1). Jeweils zwei W24x192-Stützen im Abstand von 4 Fuß (ca. 1,2 m) mit Rundstahl-Kreuzverbänden und W8-Streben bilden jede der 4 zusammengesetzten Stützen. Die Bogenfachwerke haben eine Höhe von 6 Fuß (ca. 1,8 m) und verwenden WT12x88-Gurte sowie Doppelwinkel-Füllstäbe.
Abbildung 1. RAM Elements-Modell der hohen Flugzeugüberdachung.
Die 132 Fuß (ca. 40 m) weit gespannte Konstruktion hat einen feldverschraubten Stoß nahe der Feldmitte. Jedes Ende jedes Fachwerks ist über verschraubte Stirnplatten-Momentenverbindungen mit dem Innenflansch der W24-Stütze verbunden (Abbildung 2). 10 und 20 Fuß (ca. 3 m bzw. 6 m) lange Kragarm-Fachwerksabschnitte sind in ähnlicher Weise an den Außenflanschen der Stützen befestigt. Vertikale Kreuzverbände zwischen jedem Fachwerkspaar sowie Winkelgitter in den Ebenen der Ober- und Untergurte bilden ein Raumfachwerk zwischen jedem Paar zusammengesetzter Stützen. Dies erzeugt den Momentenrahmen in Längsrichtung. Jedes Paar von Gitterstützen wirkt als auskragendes vertikales Fachwerk in der orthogonalen Achse. Betonzugbänder verbinden die Stützen in Längsrichtung, um den Bogenschub unter Eigenlasten aufzunehmen.
Abbildung 2. WT-Fachwerksgurt, der über Stirnplatten mit der W24-Stütze verbunden ist – analysiert in IDEA StatiCa
Connection. Kragarm links der Stütze, Rückspannweite rechts.
Der vollständige Artikel von Jason McCool ist auf der Website des STRUCTURE Magazine zugänglich.
Einsatz der IDEA StatiCa-Anwendung
Jason McCool, Projektingenieur bei Robbins Engineering, PLLC:
Die andere primäre Verbindungssoftware, die wir gewohnt waren zu verwenden, konnte einen Trägerstoß mit WT-Profilen nicht nachweisen. Da ich WT12x88-Profile für die Gurte unserer Bogenfachwerke der Überdachung verwendet habe, löste die IDEA StatiCa-Anwendung, was sonst aufwändige Handberechnungen oder mühsame Tabellenkalkulationen gewesen wären. Mit ihrer Hilfe konnte ich den Stoß schnell mit sowohl Stirnplatten als auch überlappenden Schubplatten nachweisen und zur endgültigen optimierten Lösung aus überlappenden Platten im doppelten Abscheren iterieren – noch während ich mein globales Analysemodell entwickelte. Leider gibt es keine BIM-Schnittstelle für die Software, die wir für das globale Modell verwendet haben, sodass ich diese Funktionen zur Übertragung von Geometrie- und Lastinformationen nicht nutzen konnte. Aber allein die Möglichkeit, untypische Varianten schnell zu erkunden und bei Bedarf anzupassen, war eine enorme Hilfe.
Die Stirnplatten-Momentenverbindung von den WT-Gurten zu den Stützen war ein weiteres kritisches Element, das andere Software nicht analysieren konnte. StatiCa ermöglichte es mir, unnötige Steifen zuverlässig zu eliminieren und mehr Material dort einzusetzen, wo es am nützlichsten war. Schweißnähte konnten bemessen werden in dem Wissen, dass ungleichmäßige Spannungen in den Nähten direkt berücksichtigt wurden, anstatt übliche Annahmen der Gleichmäßigkeit oder die Anwendung willkürlicher Erhöhungsfaktoren zu verwenden, die versuchen, mögliche Spannungskonzentrationen abzudecken.
Dieses Beispiel eines offenen Stahlfachwerk-Trägers, der auf einer Stützen-Steifenplatte auflagert, ist ein weiterer Fall, in dem andere Software an ihre Grenzen stößt. Die typische Annahme ist, dass die Steifenplatte nur unter Zug oder Druck steht, der durch die Flanschkräfte im Träger erzeugt wird, die beim Verformen der Struktur in die Stütze übertragen werden. Aber IDEA StatiCa ermöglicht die Berücksichtigung von Interaktionseffekten wie Druck in der Ebene und Biegung aus der Ebene – wie in diesem Fall – oder einem anderen häufigen Fall von 4-seitigen Momentenverbindungen, bei denen die Durchlaufplatten in starker Achse auf zweiachsigen Zug beansprucht werden.
Nachfolgend ist eine Windverbandverbindung an einer relativ kleinen W-Stütze im FBO-Gebäudeteil (Fixed Base Operator) des Projekts dargestellt. Die Verbandlast ist Wind und nicht seismisch und ist an diesem Knoten relativ gering. Aber dies ist eine weitere Verbindungskonfiguration, die von unserer anderen Verbindungsbemessungssoftware schlicht nicht behandelt wird. Anstatt Zeit mit aufwändigen Handberechnungen zu verbringen oder den „einfachen" Weg zu gehen und unnötige Steifen hinzuzufügen oder eine sehr dicke Stirnplatte zu verwenden, um weit auf der sicheren Seite zu liegen, ermöglicht IDEA StatiCa Connection eine einfache Überprüfung, dass die vorgeschlagene Verbindung mehr als ausreichend ist.
Das Ergebnis ist ein sehr sauberer Knoten, der ohne die zusätzlichen Stützen-Steifen auch einfacher herzustellen ist. Später ergab sich eine weitere mögliche Anwendung dieser Verbindung an einem anderen Teil des Gebäudes mit einer etwas schwereren Stütze, diesmal jedoch mit dem 5-fachen der Verbandlast. Ich hatte eine Vorlage aus dem ersten Fall erstellt und konnte sie schnell auf den neuen Standort anwenden und bestätigen, dass dieselbe Konfiguration funktioniert – wiederum ohne Steifen. Außerdem steht diese Vorlage nun für die Wiederverwendung in anderen Projekten zur Verfügung.
Fazit
REC profitierte auf mehrere Arten von IDEA StatiCa Connection. Obwohl wir andere Verbindungsbemessungssoftware verwenden, ist keine davon so offen gestaltet. Sie alle sind formelbasiert und daher auf die Formeln beschränkt, die in verschiedenen Normen und Standards abgeleitet und dann vom Softwareentwickler programmiert wurden. Aber IDEA StatiCa setzt auf einem grundsätzlich höheren Niveau an, das die anderen nie erreichen können, indem es möglich ist, Verbindungen aus grundlegenden Komponenten zu komplexen Konfigurationen aufzubauen, die der Programmierer nicht im Voraus hätte antizipieren können. Mit CBFEM als Grundlage der Berechnungen bin ich bei weitem nicht so stark darauf beschränkt, was ein Programmierer im Voraus hätte vorhersehen können. Asymmetrische Profile und Schraubenbilder, komplexe Anordnungen von Steifen, Beurteilung der Tragfähigkeit von ausgeführten Verbindungen mit „fehlenden" Komponenten – all das ist mit IDEA StatiCa möglich, wo andere Programme programmierte Annahmen wie symmetrische Anordnungen, einfache stückweise Analyse ohne Wechselwirkung zwischen verschiedenen Teilen usw. verwenden.
*Aktualisierung der Projektzuordnung
Dieses Projekt wurde ursprünglich abgeschlossen, während Jason McCool, PE, bei Robbins Engineering Consultants (REC) beschäftigt war, das seinen Betrieb 2024 einstellte. Die Arbeit wird nun der aktuellen Firma des Autors, Cool Country Engineering, zugeschrieben, mit Anerkennung von REC als der ursprünglichen Organisation, unter der das Projekt durchgeführt wurde.
