Informazioni sul progetto
Il sistema di sostegno dello scavo (SOE) è realizzato con diaframmi in calcestruzzo armato (D-wall) collegati tra loro da un sistema di puntellazione interno in acciaio. Si tratta di una struttura temporanea che consente di realizzare lo scatolare interrato definitivo della stazione, dove la metropolitana transita e si ferma. L'oggetto di questo lavoro è la progettazione e la verifica dei collegamenti in acciaio prefabbricati che costituiscono tale puntellazione temporanea.
Gli elementi in piastra di acciaio sono conformi a CAN/CSA G40.20-13 / G40.21-13, Classe 350W, e i puntoni tubolari sono conformi ad ASTM A252M-19 Grado 3. Dove si utilizzano collegamenti bullonati, questi impiegano bulloni ad alta resistenza conformi ad ASTM A490M. L'acciaio viene fabbricato sia a livello locale sia, in alcuni casi, all'estero, e viene poi inviato a ciascun cantiere per l'assemblaggio e il montaggio. Grounded Engineering è il progettista responsabile (Engineer of Record, EoR) per due siti ed è responsabile della progettazione di dettaglio dei collegamenti nell'altro.
Sfide ingegneristiche
Le spinte laterali del terreno sul sistema SOE sono state determinate mediante diagrammi delle pressioni apparenti del terreno, per definire inviluppi di progetto rappresentativi. Tali inviluppi, insieme alle condizioni riportate di seguito, sono stati utilizzati per determinare le forze di progetto dei collegamenti in termini di carico assiale, taglio e momento flettente:
- Pressione idrostatica
- Sovraccarichi di costruzione
- Azione del gelo ed effetti termici
- Carichi da impalcato di traffico e da gru a portale
- Carichi eccezionali
- Carichi eccentrici
La puntellazione interna trasmette una forza assiale considerevole, il che significa che i collegamenti tra gli elementi di puntellazione e i diaframmi sono fortemente sollecitati. Grounded Engineering ha sviluppato i progetti iniziali utilizzando la meccanica applicata all'ingegneria insieme alle disposizioni di CSA S16, CSA S6, CSA A23.3 e AISC, ove applicabili. Tali metodi hanno fornito una valutazione affidabile, del primo ordine, della capacità del collegamento, ma per loro natura semplificano il reale comportamento del collegamento.
La combinazione di geometria complessa, carichi elevati e interazione tra acciaio e calcestruzzo ha reso difficile definire a mano diversi effetti. Ridistribuzione delle tensioni, concentrazioni di tensione, flessibilità delle piastre, forza di leva, flusso tridimensionale dei carichi, rigidezza del collegamento e stabilità locale rientrano tutti in questa categoria. Inoltre, un'eccentricità di costruzione prescritta di 50 mm ha introdotto momenti e deformazioni difficili da cogliere con i calcoli manuali convenzionali.
La costruibilità ha aggiunto un ulteriore livello di complessità. Gli assemblaggi dei collegamenti sono grandi e complessi, per cui è stato necessario verificare le tolleranze di fabbricazione, i franchi di montaggio e le potenziali interferenze. E poiché le condizioni in cantiere continuavano a evolvere durante la costruzione, il team aveva bisogno di un modo rapido per esaminare le configurazioni as-built e individuare soluzioni correttive pratiche quando qualcosa cambiava.
Soluzioni e risultati
Per affrontare questi collegamenti, Grounded Engineering ha utilizzato IDEA StatiCa Connection per i giunti in acciaio e ha trasferito la parte in calcestruzzo in IDEA StatiCa Detail. In Connection, il Metodo degli Elementi Finiti basato sui Componenti (CBFEM) ha gestito le piastre, le saldature, i bulloni e l'ancoraggio della puntellazione nel diaframma. Detail è stato poi utilizzato per verificare la regione in calcestruzzo armato in cui tali forze vengono trasmesse alla parete.
Le analisi CBFEM hanno integrato i calcoli tradizionali anziché sostituirli. Hanno colto comportamenti che i metodi manuali potevano solo approssimare, tra cui i percorsi di carico tridimensionali, la deformazione delle piastre, la forza di leva, il comportamento delle saldature e l'interazione tra l'acciaio e il calcestruzzo armato. L'eccentricità di costruzione di 50 mm è stata inserita direttamente nei modelli, in modo da poter esaminare in modo esplicito gli effetti secondari e le deformazioni dei collegamenti legati a tale scostamento.
Vale la pena sottolineare che l'analisi non ha sostituito il giudizio ingegneristico del team. Ha dato al team maggiore fiducia nelle ipotesi di progetto e ha evidenziato le aree in cui i singoli componenti del collegamento potevano essere ottimizzati. Il pacchetto di progetto finale ha riflesso questo equilibrio, con 115 pagine di calcoli manuali supportate da 81 pagine di output di IDEA StatiCa.
I modelli 3D hanno inoltre offerto un contributo sul fronte della costruibilità. Poter esaminare l'intero assemblaggio del collegamento in tre dimensioni ha consentito al team di individuare potenziali interferenze e di verificare le tolleranze di montaggio prima che qualsiasi elemento arrivasse in cantiere. Quando durante la costruzione sono emerse condizioni as-built o modifiche in cantiere, tali variazioni hanno potuto essere valutate rapidamente, il che ha aiutato a stabilire se fossero necessarie misure correttive, limitando al contempo l'impatto sul programma lavori.
Per il coordinamento, i modelli dei collegamenti sono stati esportati in IFC e DWG in modo da poter essere importati in Revit insieme al resto dei dati di progetto. Questo ha fornito ai team di progettazione, di disegno e di costruzione un riferimento 3D condiviso di ciascun collegamento da cui partire, che è spesso il punto in cui errori e RFI superflue vengono individuati in anticipo.
Grounded Engineering ha inoltre osservato che il software era solo una parte della storia. Dall'avvio iniziale fino al supporto tecnico continuo, il team di IDEA StatiCa si è mostrato reattivo e coinvolto nel progetto, e lo sviluppo continuo guidato dal feedback degli utenti ha reso il software un partner utile nel corso della progettazione.