Centro educativo a Tallinn
Informazioni sul progetto
Il centro educativo di Tallinn è una struttura a quattro piani progettata per sostituire una struttura obsoleta con un edificio moderno e multifunzionale. Con una superficie lorda di 13.566 m², l'edificio è alto 18 metri e incorpora una combinazione di calcestruzzo, acciaio e muratura come materiali principali. Il sistema portante verticale è prevalentemente composto da colonne in calcestruzzo e pareti in muratura, che non solo forniscono il supporto necessario, ma contribuiscono anche alla rigidezza globale dell'edificio. Gli elementi portanti orizzontali sono costituiti principalmente da solai a lastre alveolari supportati da travi prefabbricate, con alcune sezioni che utilizzano solai piani gettati in opera per un supporto strutturale aggiuntivo.
Il quarto piano e la struttura del tetto mostrano un passaggio verso la costruzione in acciaio, utilizzando colonne e travi in acciaio per una maggiore flessibilità e un peso ridotto. L'edificio è supportato da 831 pali con una lunghezza totale di 21.000 metri, garantendo una solida fondazione nonostante le difficili condizioni del suolo. Il volume totale di calcestruzzo utilizzato nella struttura, esclusi i pali, ammonta a 3.560 m³, e i componenti in acciaio pesano circa 430.000 kg.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Architectural visualization of the Educational center}}}\]
Sfide ingegneristiche
Una delle principali sfide di questo progetto è stata la progettazione di una trave castellata lunga 80,70 metri. Questa trave doveva coprire ampie campate al terzo piano, garantendo uno spazio aperto e privo di colonne secondo la visione architettonica. Oltre a supportare l'integrità strutturale dei grandi spazi aperti, la trave doveva anche consentire il passaggio di un sistema di condotti di ventilazione attraverso la sua struttura.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Section view on the castellated beam in IFC reader software}}}\]
La complessità ingegneristica è stata ulteriormente accentuata dalla necessità di supportare sei campate sull'intero piano superiore, con la campata più lunga che raggiunge 27,49 metri. Inoltre, la campata finale della trave è stata progettata come mensola, che non solo si estendeva verso l'esterno, ma supportava anche una parte del solaio sottostante, aggiungendo un carico significativo e richiedendo un'analisi strutturale e una progettazione meticolose.
Dopo aver valutato tutti gli input, gli ingegneri di progetto Martin Truuts e Karl Kimmel hanno determinato che una trave castellata sarebbe stata la soluzione ottimale. Il design della trave castellata fornisce naturalmente aperture per il passaggio del sistema di condotti, mentre la sua elevata altezza efficace consente una significativa capacità portante con un utilizzo relativamente minimo di materiale.
La scelta della trave castellata era chiaramente la migliore opzione, ma ha introdotto ulteriori sfide, in particolare nel garantire la stabilità della struttura contro l'instabilità flesso-torsionale e altre forme di instabilità. Come trave continua, era essenziale stabilizzare la flangia inferiore nelle zone di appoggio. Tipicamente, si utilizzerebbero vincoli diagonali per affrontare questo problema, ma questa soluzione non era fattibile a causa del posizionamento dei tubi di ventilazione e dei requisiti architettonici per lo spazio adiacente alla trave. Di conseguenza, sono state utilizzate "travi secondarie", perpendicolari alla trave castellata, per fornire la necessaria stabilizzazione.
Soluzioni e risultati
Nota:
Come precedentemente menzionato, i problemi di stabilità sono stati affrontati collegando "travi secondarie" ai lati della trave castellata. Il progetto ha sfruttato la rigidezza flessionale delle travi secondarie, estendendo questa rigidezza alla flangia inferiore della trave castellata attraverso un robusto progetto di collegamento. Questo approccio ha stabilizzato efficacemente la flangia inferiore. In sostanza, il collegamento tra le travi secondarie e la trave castellata era così robusto e rigido da far sì che le travi secondarie nelle campate adiacenti funzionassero come travi continue, influenzando così la distribuzione dei carichi e delle forze interne, il che in questo caso significava anche trasferire più carico alle travi castellate.
Per affrontare i problemi di stabilità e incorporare la rigidezza del collegamento nel progetto, gli ingegneri hanno integrato la suite di applicazioni di IDEA StatiCa—Checkbot, Member e Connection—nel loro flusso di lavoro. Gli ingegneri Karl Kimmel e Martin Truuts hanno seguito un approccio strutturato:
Creazione del modello globale: Il processo è iniziato con la creazione di un modello globale nel software Robot Structural Analysis (RSA), dove sono stati introdotti i carichi e le combinazioni di carico.
Integrazione del collegamento BIM: Karl ha quindi utilizzato il collegamento BIM per importare l'intera struttura, incluse le forze interne di tutte le combinazioni di carico, in IDEA StatiCa Checkbot.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{The model imported into Checkbot with internal forces}}}\]
Progettazione del collegamento e calcolo della rigidezza: In IDEA StatiCa Connection, sono stati progettati i giunti singoli e calcolata la rigidezza di questi collegamenti. Questa rigidezza è stata poi reintrodotta nel modello RSA, influenzando il diagramma del momento flettente della trave castellata e il comportamento delle colonne correlate.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Connection designs used in the model in Member application}}}\]
Modellazione dell'elemento: Il modello è stato quindi ricreato da zero in IDEA StatiCa Member. Tutte le travi sono state modellate come "elementi analizzati", utilizzando elementi shell per una rappresentazione dettagliata. I collegamenti sono stati modellati e assegnati ai giunti appropriati, e i carichi critici sono stati applicati al modello per l'analisi finale.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Various views on the model in Member application}}}\]
Analisi degli elementi: In IDEA StatiCa Member, le forme di instabilità e i corrispondenti fattori critici di instabilità sono stati identificati attraverso l'Analisi Lineare di Instabilità. Le forme critiche di instabilità sono state quindi assegnate alle imperfezioni iniziali e ulteriormente analizzate mediante l'Analisi Geometricamente e Materialmente Non Lineare con Imperfezioni (GMNIA). Questo processo ha aiutato a identificare i punti deboli nel progetto, consentendo le necessarie correzioni. Questi passaggi erano iterativi, con ogni ciclo che affinava il progetto per migliorare la stabilità e le prestazioni.
Karl e Martin hanno analizzato circa sei forme di instabilità, concentrandosi principalmente sui modi di instabilità globale, poiché erano presenti poche forme di instabilità locale. Hanno affrontato i potenziali problemi di instabilità locale nel progetto incorporando irrigidimenti per eliminarli.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Deflections on members from GMNIA analysis}}}\]
Risultati: Una volta che il progetto è stato affinato a un livello soddisfacente, l'analisi GMNIA ha confermato che le deformazioni, le tensioni e le deformazioni plastiche del progetto finale sono accettabili.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Visualization of the deformation under load}}}\]
Doppio controllo e verifica: Per garantire l'accuratezza, le forze interne sono state confrontate tra RSA e IDEA StatiCa Member, fornendo un doppio controllo dei risultati.
Gli ingegneri hanno sfruttato le capacità dell'applicazione IDEA StatiCa Member, iniziando con l'Analisi Lineare di Instabilità (LBA) e progredendo verso l'Analisi Geometricamente e Materialmente Non Lineare con Imperfezioni (GMNIA), il tipo di analisi più avanzato per il carico statico. Nella GMNIA, tutte le potenziali imperfezioni—come la variazione dello spessore delle piastre, la mancanza di rettilineità, le tensioni residue, le non-omogeneità del materiale e il disallineamento dei vincoli—sono rappresentate da imperfezioni geometriche equivalenti. Queste imperfezioni sono impostate utilizzando le forme dei modi di instabilità calcolate dalla LBA, con l'utente che seleziona l'ampiezza massima della forma del modo di instabilità per l'imperfezione.
Inoltre, l'ingegnere Karl Kimmel ha utilizzato l'applicazione IDEA StatiCa Member per Analisi per la Progettazione Antincendio delle travi, sfruttando le complete capacità dello strumento per garantire che la struttura soddisfacesse tutti i requisiti di sicurezza antincendio. Questa analisi completa ha contribuito a confermare le prestazioni delle travi in condizioni di incendio, rafforzando ulteriormente il progetto complessivo.
Conclusione
Il nuovo progetto del centro educativo a Tallinn è una testimonianza della potenza dell'ingegneria strutturale avanzata e del design innovativo. Sfruttando le capacità di IDEA StatiCa, il team di ingegneria di EstKonsult è stato in grado di superare sfide significative e realizzare una struttura robusta, flessibile e moderna che soddisfa le esigenze della comunità. Questo progetto dimostra l'importanza dell'utilizzo di strumenti e tecniche all'avanguardia in combinazione con un pensiero ingegneristico innovativo nell'ingegneria strutturale, per realizzare ambiziose visioni architettoniche e garantire la sicurezza e la funzionalità di strutture complesse.
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